Transcript Mikroel3_3 - CARNet lms

Elektrotehnički fakultet
Kneza Trpimira 2b, 31000
Osijek, HRVATSKA
Sveučilište J.J.
Strossmayera u
Osijeku
Prof. dr. Tomislav Švedek
MIKROELEKTRONIKA
3+1+2
MODUL 3 /3 od 3
5.
5.1.
5.2.
5.3.
MEMORIJE
POLUVODIČKE MEMORIJE
STATIČKI MOS RAM
DINAMIČKI MOS RAM
5.3.1. Osjetljivo pojačalo za iščitavanje
5.4.
IŠČITNA ILI PERMANENTNA MOS MEMORIJA (ROM)
5.4.1. Maskom programirana iščitna MOS
memorija
5.4.2. Izbrisiva programibilna iščitna MOS memorija
(EPROM)
5.4.3. Električki izbrisiva programibilna iščitna
MOS memorija (EEPROM)
5.5.
OSNOVNE BIPOLARNE RAM I ROM ĆELIJE
5.5.1. Statički bipolarni RAM
5.5.2. Dinamički bipolarni RAM
5.5.3. Bipolarni ROM
5.6. CIRKULIRAJUĆE (SERIJSKE) MEMORIJE
5.6.1. CCD nabojske memorije
MODUL 3/3od 3
2
5.
MEMORIJE
Povećanje kapaciteta memorija traži veću gustoću pakiranja
komponenata  komponente su manjih dimenzija,  memorije
su stalni pokretač razvoja naprednih tehnologija višeg stupnja
integracije.
Osnovne koncepcije, karakteristike i klasifikacija
Svaki računalni sustav sadrži:
Vanjsku (masovnu) memoriju - pohrana podataka (DATA
MEMORY) – serijska struktura
Unutarnju (operativnu) memoriju - pohrana programskih
instrukcija (PROGRAM MEMORY) – paralelna struktura
MODUL 3/3od 3
3
Vanjske (serijske) memorije –
• podaci raspoloživi samo u sekvenci kojom su
memorirani - ta ovisi o lokaciji podatka,
• masovna pohrana podataka:
magnetski medij - disk, traka
optički medij – CD ROM, DVD
• podaci se trajno pohranjuju – postojane (engl nonvolatile) memorije
MODUL 3/3od 3
4
Unutarnje (paralelne) memorije –
• podaci raspoloživi neovisno o sekvenci kojom su
memorirani - ta ne ovisi o lokaciji podatka,
• upisno/iščitne memorije (RAM):
bipolarne
MOSFET
CCD – serijska struktura podataka (pohrana
digitalnih i analognih podataka!)
• iščitne memorije (ROM)
• nepostojane (engl volatile) memorije
MODUL 3/3od 3
5
5.1.
POLUVODIČKE MEMORIJE
LINIJA
RIJEČI
1
M11
Struktura
memorijskog
integriranog
sklopa
M12
ak an-1
...
M13
Y
2
M21
M22
D
E
K
O
D
E
R
Yi
M23
3
M31
M32
M33
N
...
LINIJA 1
BITA
a0
ak-1
W – redaka (linija bita)
2
Xj
W
X - DEKODER
LOGIKA
DIZL
N – stupaca (linija riječi)
X Y  W  N  2  2
k
DUL
n  k 
MODUL 3/3od 3
CE
W/R
6
5.1.
POLUVODIČKE MEMORIJE
LINIJA
RIJEČI
1
M11
M12
ak an-1
...
M13
Y
2
M21
M22
D
E
K
O
D
E
R
Yi
M23
3
M31
M32
M33
Adresni vektor
N
...
LINIJA 1
BITA
a0
ak-1
2
Xj
W
X - DEKODER
LOGIKA
DUL
 a0 
a 
 1 
 . 


a
 k -1 


 ak 
ak 1 


.


a 
 n 1 
DIZL
CE
W/R
Linije bita vrlo su dugačke (veliki parazitni kapacitet i serijski otpor)
 sklop X-dekodera u svakoj liniji bita ima ugrađeno po jedno
osjetljivo iščitno pojačalo (engl. sensing amplifier)!
MODUL 3/3od 3
7
POLUVODIČKE
MEMORIJE
Bipolarna
(statička)
MOSFET
(statička i
dinamička)
ta=10 do 100 ns
velika disipirana snaga
ta=150 ns
tc=280 ns
mala disipirana snaga,
velika gustoća pakiranja
MODUL 3/3od 3
8
STATIČKI MOS RAM
5.2.
Osnovna ćelija (1-bit) - bistabil! Ravnopravno se koriste NMOS i CMOS
izvedbe! Kod CMOS-a T3 i T4 su PMOS tranzistori.
bj
bj
Yi
CMOS ćelija sa 6
tranzistora
UDD
T3
T4
T6
T5
T1
DUL
T7
memorijska
celija
Mij
DUL
T3/T4 - dinamički
otpor
(osiromašeni tip)
T2
Xj
T8
+
-
DUL
pobudni stupanj
s 3 stanja
W/R
sabirnica
podataka
T1/T2 - sklopke
bistabila,
DIZL
pojačalo za
iščitavanje
MODUL 3/3od 3
T5 /T6 - sklopke
pristupa bistabilu
9
Primjer: upis
upis
UDD
T3
linija
retka
T4
T5
T6
T2 "1" b - linija
b - linija "0" T1
bita
bita
UDD
0V
Pri upisu se na na b i b vodove bita dovode bit i njegov komplement.
Primjer: b = "1", UDS1=UGS2  0 V pa tranzistor T2 ne vodi, napon UDS2 =
UDD te je T1 prisiljen na vođenje. U tom stanju ostaje sve do promjene
prilikom novog upisa!
MODUL 3/3od 3
10
Primjer: iščitavanje
čitanje
UDD
T3
T4
T5
b - linija "1"
bita
linija
retka
T6
T1
T2
"0"
b - linija
bita
Prije iščitavanja napon na b i b liniji bita jednak je UDD/2.
Primjer: b ="0", vodi tranzistor T2, a T1 ne. Napon na b liniji bita padne, a
na b liniji bita poraste.
Razlika ta dva napona dolazi na pojačalo stupca.
MODUL 3/3od 3
11
Diferencijalno NMOS pojačalo ispisa podataka
UDD
T3
Veliko pojačanje i
CMRR!
T4
DIZL
D UL
T1
Xj
T2
D UL
U svaku liniju po
jedno pojačalo.
Aktivira se odabirom
stupca Xj.
T5
MODUL 3/3od 3
12
5.3.
DINAMIČKI MOS RAM
Vremenski ograničena pohrana podataka u vidu naboja na kapacitetu
CGS tranzistora T2.
bj - iščitavanje
bj' - upisivanje
Yi - iščitavanje
T6
T2
T5
memorijska
ćelija
Mij
CGS2
Y'i - upisivanje
Dinamička MOS
RAM ćelija s 3
tranzistora
W/R
Xj
T9
pojačalo s
3 stanja
DUL / DIZL
MODUL 3/3od 3
13
Jednotranzistorska ćelija (jednostavna ćelija koja omogućava
veliku gustoću pakiranja)
Informacija je pohranjena u obliku naboja na kondenzatoru
ćelije. Zbog razgradnje naboja potrebno je periodičko
osvježavanje (engl. refreshing)!
linija bita - xj = bj
Yi - linija riječi
T
CM
parazitni
kapacitet linije
CL
memorijska
ćelija
Mij
Dinamička MOS
RAM ćelija s
jednim
tranzistorom
pojačalo
za iščitavanje
DUL /DIZL
MODUL 3/3od 3
14
CAS - Column Address Strobe
CAS
RAS - Row Address Strobe
adresa stupca
DEC
RAS
a
d
r
e
s
a
r
e D
t
k E
a C
CL- parazitni kapacitet
voda stupca
10-30 puta veći od C!
C - kapacitet ćelije (0,04 pF);
"1" - C nabijen (UDD);
"0" - C izbijen (0)
G
D
S
C
CL
DIZL
DUL
pojačalo stupca za iščitavanje (engl. sense
amplifier)
MODUL 3/3od 3
15
1) iščitavanje (engl. read)
Sekvenca:  prije odabira ćelije sve linije riječi prethodno
nabiti (engl. precharge) na 0V, a linije broja na UDD
 zatim odabrati odgovarajuću liniju riječi (redak)
i postaviti na njoj napon UDD (tranzistor ćelije
provede!)
A) na C pohranjeno "0"
DIGIT LINE
Zbog punjenja kondenzatora
CL>>C
C napon na DIGIT LINE
UDD
0V
padne znatno, to detektira
C
CL
I0
pojačalo stupca i vraća "0" na
"0"
"0"
DIGIT LINE, pa se C izbija
potpuno na 0V (povratak na
početnu vrijednost!).
MODUL 3/3od 3
16
B) na C pohranjeno "1"
Zbog gubitaka kondenzatora C
stanje "1" je manje od UDD. Kako je DIGIT LINE
CL prednabijen na UDD poteče mala
struja punjenja kondenzatora C (I1),
CL>>C
U
UDD
DD
a napon na DIGIT LINE malo
C
padne, taj mali pad detektira
CL
I1
"1"
pojačalo stupca i vraća "1" na
"1"
DIGIT LINE, pa se C nabija
potpuno na UDD (obnavljanje stanja
"1").
čitanjem se osvježavaju sve ćelije odabranog retka
 svi podaci odabranih vodova javljaju se na izlazu DIGIT LINE
 dekoder adrese stupca spaja odabrani vod na I/O sabirnicu

MODUL 3/3od 3
17
2) upis (engl. write)
Postupak sličan čitanju samo što su sada podaci za upis
prisutni na ulazu DUL.
Za "0" C se nabija na 0V, a za "1" na UDD.
3) osvježavanje (engl. refreshing)
Odvija se svake 2 ms! Unutar tog vremena onemogućen je
W/R postupak. BURST MODE - najjednostavnija metoda.
Redovi se odabiru sekvencijalno (kao kod čitanja), ali se ne
odabire stupac.
osvježavanje
98% vremena memorija je
na raspolaganju za W/R!
2 ms
MODUL 3/3od 3
18
5.3.1. Osjetljivo ispisno pojačalo
Najvažniji dio RAM-a. Kondenzatori C moraju biti vrlo mali
(površina čipa!)
CL>>C
pojačalo
Uul
C=0,004 pF
CL=1 pF (za 16 K RAM)
Za svaki stupac po jedno pojačalo.
Npr. za 16 K RAM = 128 x 128  128 pojačala!
MODUL 3/3od 3
19
Bistabil kao dinamičko
pojačalo - metastabilno
stanje!
UDD
CP1
CP1
CP2
T1
bj
bj
T0
T4
T3
Yi
YL
CM
CM
2
UDD
CP1
T2
Memorijske
celije
YR
CM
2
Xj
DUL /DIZL
DUL /DIZL
Yi
CM
UDD
Memorijske
ćelije
Fiktivna memorijska
ćelija
MODUL 3/3od 3
20
5.4. IŠČITNA ILI PERMANENTNA MOS MEMORIJA
(ROM)
Ispisne memorije, po strukturi slične RAM-u (dekoder stupaca i redaka,
memorijske ćelije). Ovdje dekoder retka pobuđuje i vod stupca. Primjer
diodni ROM!
Primjer diodni 16-bitni ROM!
Danas se diode zamjenjuju
bipolarnim ili MOS
tranzistorima!
a0
a1
D
E
C
D3
MODUL 3/3od 3
D2
D1
D0
21
5.4.1. MASK programabilni MOSFET ROM
Zadnjom maskom metalizacije (aluminij) kod proizvođača ROM-a se
definiraju se spojevi upravljačkih elektroda i redaka memorije, pa time i njen
sadržaj. Samo za veće serije proizvoda.
Primjer MOS ROM:
UDD
osiromašeni MOSFET
X
001
Y
100
obogaćeni MOSFET
MODUL 3/3od 3
22
5.4.2. Električki programabilne memorije (EPROM)
Može se po volji korisnika upisivati i brisati više puta.
Brisanje pomoću ultravioletnih (UV) zraka. Ćelija se temelji
na MOSFETu s dvije poli-silicijske upravljačke elektrode.
Stacked-gate (spojeni
gate) ćelija:
D
G
GL
S
selekcijska elektroda G
lebdeća elektroda GL
nije električki povezana
D s niti jednim dijelom
sklopa!
N+
B
N+
S
P-podloga
MODUL 3/3od 3
23
NMOS tranzistoru EPROM ćelije napon praga se može
mijenjati između vrijednosti Utn (blizu USS) i U'tn (>UDD).
ID
Neprogr. ("0")
0 Utn
Progr. ("1")
napon U'tn
čitanja
UGS
MOSFET neprogramiran (npr. "0"): komponenta radi kao
običan MOSFET s relativno niskim naponom praga Utn.
MODUL 3/3od 3
24
Programiranje MOSFETa Istodobno na selekcijsku elektrodu
visoki napon programiranja Upp , a na odvod niži napon UD.
Okomito ubrzavanje "hot" elektrona (Ek= 3.2 eV) ka lebdećoj
upravljačkoj elektrodi.
Upp=25V
Ukupan negativan potencijal
UD (16-20V)< Upp
elektrona zarobljenih
S
D
lebdećom elektrodom
suprotstavlja se el. polju
N+
N+
stvorenom pozitivnim
P-podloga
naponom na selekcijskoj
elektrodi. Napon praga
programiranog tranzistora Naboj se na lebdećoj elektrodi
može zadržati do 100 godina!
U'tn stoga je znatno viši.
MODUL 3/3od 3
25
Čitanje:
napon čitanja Utn < UGS <U'tn: ako je upisano "1" tranzistor ne
vodi, a ako je upisano "0" vodi!
Brisanje:
UV zrakama (=2,54A). Ekscesni elektroni na lebdećoj
elektrodi apsorbiraju UV energiju, postignu energiju veću od
3,2 eV, te prođu kroz potencijalnu barijeru SiO2 i
rekombiniraju u podlozi. Brisanje traje desetak minuta i ovisi
o intenzitetu UV zračenja!
MODUL 3/3od 3
26
5.4.3. Električki izbrisive programibilne memorije
(EEPROM)
EEPROM ćelija je slična EPROM ćeliji samo je kod nje oksidni
sloj između lebdeće elektrode i podloge znatno tanji (<20 nm).
Upisivanje i brisanje postiže se Fowler-Nordheim tuneliranjem
kroz tako tanak sloj oksida.
Neprogr. ("0") ID
Progr. ("1")
-Utn
0 napon U'tn
čitanja
UGS
Utn <0!!
Odlaskom elektrona lebdeća elektroda je pozitivno
MODUL 3/3od 3
nabijena!
27
Programiranje (nabijanje lebdeće elektrode elektronima)
+20 V
Lebdeća elektroda GL
(kapacitivnom vezom na
D
potencijalu 12-14 V)
S elektroda u zraku! nabija se elektronima koji
tuneliraju kroz oksid iz N+
sloja odvoda.
Brisanje (izbijanje lebdeće elektrode)
Elektroni se odvode s
lebdeće elektrode GL
D
tuneliranjem kroz oksid u
+ sloj odvoda. Elektroda
N
S elektroda u zraku!
ostaje pozitivno nabijena!
+20 V
MODUL 3/3od 3
28
5.5. OSNOVNE BIPOLARNE RAM I ROM ĆELIJE
5.5.1. Statički bipolarni RAM
UCC
E21
T1
E11
T2
E22
E21
Yi
bj
bj
MODUL 3/3od 3
29
5.5.2. Dinamički bipolarni RAM
Xj
Yi
PNP
Cbc
NPN
Yi
MODUL 3/3od 3
30
5.5.3. Bipolarni ROM
Može ih programirati korisnik ali samo jednom (engl. One
Time Programmable - OTP). Ćelije su iste kao kod maskom
programibilnih ROM-ova samo je emiter BJT spojen s
vodom stupca pomoću NiCr ili Poly-Si otpornika (topljivog
osigurača!).
stupac
Programiranje: strujnim
impulsom (5 mA) trajanja
200 ms.
redak
O
R
MODUL 3/3od 3
31
Više-emiterske strukture: jedan tranzistor jedna riječ!
1.riječ
stupci
O
2.riječ
O
R
MODUL 3/3od 3
R
R
R
32
5.6.
CIRKULIRAJUĆE (SERIJSKE) MEMORIJE
Serijske memorije: podaci u njoj cirkuliraju i mogu se korak
po korak dohvatiti na jednom mjestu.
POSMAČNI REGISTAR
Cp
Primjeri:
• nabojski vezani sklopovi (engl. Charge Coupled Devices)
• memorije s magnetskim mjehurićima (engl. Magnetic
Bublle Memory)
MODUL 3/3od 3
33
5.6.1. CCD nabojske memorije
CCD je dugački NMOS FET s jednom S i D elektrodom, te
mnogo upravljačkih elektroda G (više stotina) i višefaznim
upravljanjem. To je u stvari posmačni registar (ne samo
digitalni, već i analogni!!).
Princip rada CCD-a: MOS kondenzator
s
metal (+)
SiO2
potencijaln
a jama
(engl. well)
P
osiromašeno područje
MODUL 3/3od 3
paket elektrona
(signal)
34
Trotaktni sustav (za dvotaktni drugačiji raspored elektroda!)
G1
S
N
G2
G3
G1
P
G2
G3
1
2
3
D
N
t1
+U1
t2
+U1,+U2
t3
U1<U2
t4
+U2
MODUL 3/3od 3
35
Sustav je dinamički i traži osvježavanje (pojačalo). Podaci
moraju stalno cirkulirati!
"1" = paket elektrona - uslijed gubitaka smanjuje se naboj
"0" = prazna potencijalna jama - puni se termički
generiranim elektronima (engl. dark current effect)
Primjer:
128-bit CCD
2.
pojačalo
1.
pojačalo
DATA-IN
128-bit CCD
READ
DATA-OUT
Ovisno o duljini registra fmin=10 kHz do 1 MHz,
fmax=1 - 30 MHz
MODUL 3/3od 3
36
Serijsko/paralelna organizacija:
Cirkulirajući CCD
DEKODER
Cirkulirajući CCD
.
.
+
.
.
UPRAVLJAČKA
Cirkulirajući CCD
LOGIKA
ADR.
DATA-IN
DATA-OUT
Primjena:
• memorija koja periodički osvježava CRT
• male serijske memorije
• linije za kašnjenje
• digitalni filtri
MODUL 3/3od 3
37