Eeprom память на схеме

Eeprom память на схеме
Eeprom память на схеме
Eeprom память на схеме
Eeprom память на схеме
Eeprom память на схеме

На заре возникновения памяти, сохраняющей данные при отключении пита­ния (EPROM, Erasable Programmable ROM — «стираемая/программируемая ROM», или по-русски ППЗУ — «программируемое ПЗУ»), основным типом ее была память, стираемая ультрафиолетом: UV-EPROM (Ultra-Violet EPROM, УФ-ППЗУ). Причем часто приставку UV опускали, так как всем бы­ло понятно, что EPROM — это стираемая ультрафиолетом, а ROM (или ПЗУ) просто, без добавлений— это однократно программируемые кристаллы OTP-ROM. Микроконтроллеры с УФ-памятью программ были распростране­ны еще в середине 1990-х. В рабочих образцах устройств с УФ-памятью кварцевое окошечко, через которое осуществлялось стирание, заклеивали кусочком черной липкой ленты, так как информация в UV-EPROM медленно разрушается и на солнечном свету.

clip_image002

Рис. 18.7. Устройство элементарной ячейки EPROM

На рис. 18.7 показано устройство элементарной ячейки EPROM, которая ле­жит в основе всех современных типов flash-памяти. Если исключить из нее то, что обозначено надписью «плавающий затвор», мы получим самый обыч­ный полевой транзистор — точно такой же входит в ячейку DRAM. Если по­дать на управляющий затвор такого транзистора положительное напряжение, то он откроется, и через него потечет ток (это считается состоянием логиче­ской единицы). На рис. 18.7 вверху-и изображен такой случай, когда пла­вающий затвор не оказывает никакого влияния на работу ячейки — напри­мер, такое состояние характерно для чистой flash-памяти, в которую еще ни разу ничего не записывали.

Если же мы каким-то образом (каким— поговорим отдельно) ухитримся разместить на плавающем затворе некоторое количество зарядов — свобод­ных электронов, которые показаны на рис. 18.7 внизу в виде темных кружоч­ков со значком минуса, то они будуу экранировать действие управляющего электрода, и такой транзистор вообще перестанет проводить ток. Это состоя­ние логического нуля. Поскольку плавающий затвор потому так и называет­ся, что он «плавает» в толще изолятора (двуокиси кремния), то сообщенные ему однажды заряды в покое никуда деваться не могут. И записанная таким образом информация может храниться десятилетиями (до последнего време­ни производители обычно давали гарантию на 10 лет, но на практике в обыч­ных условиях время хранения значительно больше).

Заметки на полях

Строго говоря, в NAND-чипах (о которых далее) логика обязана быть обрат­ной. Если в обычной EPROM запрограммированную ячейку вы не можете от­крыть подачей считывающего напряжения, то там наоборот — ее нельзя запе­реть снятием напряжения. Поэтому, в частности, чистая NAND-память выдает все нули, а не единицы, как EPROM. Но это нюансы, которые не меняют суть дела.

Octajiocb всего ничего — придумать, как размещать заряды на изолирован­ном от всех внешних влияний плавающем затворе. И не только разме­щать — ведь иногда память и стирать приходится, потому должен сущест­вовать способ их извлекать оттуда. В UV-EPROM слой окисла между плавающим затвором и подложкой был достаточно толстым (если величину 50 нанометров можно охарактеризовать словом «толстый», конечно), и ра­ботало все это довольно грубо. При записи на управляющий затвор подава­ли достаточно высокое положительное напряжение — иногда до 36—40 В, а на сток транзистора — небольшое положительное. При этом электроны, которые двигались от истока к стоку, настолько ускорялись полем управ­ляющего электрода, что просто перепрыгивали барьер в виде изолятора между подложкой и плавающим затвором. Такой процесс называется еще «инжекцией горячих электронов».

Ток заряда при этом достигал миллиампера — можете себе представить, ка­ково было потребление всей схемы, если в ней одновременно программиро­вать хотя бы несколько тысяч ячеек. И хотя такой ток требовался на доста­точно короткое время (впрочем, с точки зрения быстродействия схемы не такое уж и короткое — миллисекунды), но это было крупнейшим недостат­ком всех старых образцов EPROM-памяти. Еще хуже другое — и изолятор, и сам плавающий затвор такого издевательства долго не выдерживали и посте­пенно деградировали, отчего количество циклов стирания-записи было огра­ничено нескольким сотнями, максимум— тысячами. Во многих образцах flash-памяти более позднего времени даже была предусмотрена специальная схема для хранения карты «битых» ячеек — в точности так, как это делается для жестких дисков. В современных моделях с миллионами ячеек такая карта тоже имеется — однако число циклов стирания/записи теперь возросло до сотен тысяч. Как этого удалось добиться?

clip_image004

Рис. 18.8. Процесс стирания в элементарной ячейке EPROM

Сначала посмотрим, как осуществлялось в этой схеме стирание. В UV-EPROM при облучении ультрафиолетом фотоны высокой энергии сообщали электронам на плавающем затэоре достаточный импульс для того, чтобы они «прыгали» обратно на подложку самостоятельно, без каких-либо электриче­ских воздействий. Первые образцы электрически стираемой памяти (EEPROM, Electrically Erasable Programmable ROM — «электрически стирае­мое перепрограммируемое ПЗУ», ЭСППЗУ) были созданы в компании Intel в. конце 1970-х при непосредственном участии будущего основателя Atmel Джорджа Перлегоса. Он использовал «квантовый эффект туннелирования Фаулера-Нордхейма». За этим непонятным названием кроется довольно про­стое по сути (но очень сложное с физической точки зрения) явление: при достаточно тонкой пленке изолятора (ее толщину пришлось уменьшить с 50 до 10 нм) электроны, если их слегка подтолкнуть подачей не слишком высо­кого напряжения в нужном направлении, могут просачиваться через барьер, не перепрыгивая его. Сам процесс показан на рис. 18.8 вверху (обратите внимание на знак напряжения на управляющем электроде).

Старые образцы EEPROM именно так и работали: запись производилась «го­рячей инжекцией», а стирание — «квантовым туннелированием». Оттого они были довольно сложны в эксплуатации — разработчики со стажем помнят, что первые микросхемы EEPROM требовали два, а то и три питающих на­пряжения, причем подавать их при записи и стирании требовалось в опреде­ленной последовательности.

Превращение EEPROM во flash происходило по трем разным направлениям. В первую очередь — в направлении совершенствования конструкции самой ячейки. Для начала избавились от самой противной стадии — «горячей ин-жекции». Вместо нее при записи стали также использовать «квантовое тун-нелирование», как и при стирании. рис. 18.8 внизу показан этот про­цесс— если при открытом транзисторе подать на управляющий затвор достаточно высокое (но значительно меньшее, чем при «горячей инжекции») напряжение, то часть электронов, двигающихся через открытый транзистор от истока к стоку, «просочится» через изолятор и окажется на плавающем затворе. Потребление тока при записи снизилось на несколько порядков. Изолятор, правда, пришлось сделать еще тоньше, что обусловило довольно большие трудности с внедрением этой технологии в производство.

Второе направление — ячейку сделали несколько сложнее, пристроив к ней второй транзистор (обычный, не двухзатворный), который разделил вывод стока и считывающую шину всей микросхемы. Благодаря всему этому уда­лось добиться значительного повышения долговечности — до сотен тысяч циклов записи/стирания (миллионы циклов, характерные для флэш-карточек, получаются, если добавить схемы коррекции ошибок). Кроме того, схемы формирования высокого напряжения и соответствующие генераторы им­пульсов записи/стирания перенесли внутрь микросхемы, отчего пользоваться этими типами памяти стало несравненно удобнее — они стали питаться от одного напряжения (5, 3,3 или даже 1,8 В).

И, наконец, третье, едва ли не самое главное усовершенствование заключа­лось в изменении организации доступа к ячейкам на кристалле, вследствие чего этот тип памяти и заслужил наименование — flash (то есть «молния»), ныне известное каждому владельцу цифровой камеры или карманного МРЗ-плеера. Так в середине 1980-х назвали разновидность EEPROM, в ко­торой стирание и запись производились сразу целыми блоками — страни­цами. Процедура чтения из произвольной ячейки, впрочем, по понятным причинам замедлилась— для его ускорения приходится на кристаллах flash-памяти располагать промежуточную (буферную) SRAM. Для флэш-накопителей это не имеет особого значения, так как там все равно данные читаются и пишутся сразу большими массивами, но для использования в микроконтроллерах это может оказаться неудобным. Тем более, в МК не­удобно использовать самый быстродействующий вариант flash-техноло­гии — т. н. память типа NAND (от наименования логической функции «И-НЕ»), где читать и записывать память в принципе возможно только блока­ми по 512 байт (это обычная величина сектора на жестком диске, также чи­таемого и записываемого целиком за один раз — отсюда можно понять ос­новное назначение NAND).

В МК обычно используют традиционную (типа NOR) flash-память про­грамм, в которой страницы относительно невелики по размерам — порядка 64—256 байт. Впрочем, если пользователь сам не берется за создание про­грамматора для такой микросхемы, он может о страничном характере па­мяти и не догадываться. А для пользовательских данных применяют EEPROM либо с возможностью чтения произвольного байта, либо секцио­нированную, но на очень маленькие блоки — например, по 4 байта. При этом для пользователя все равно доступ остается побайтным. Характерной чертой такой памяти является довольно медленная (порядка миллисекунд) процедура записи, в то время как чтение протекает ничуть не медленнее любых других операций в МК.

Развитие технологий flash-памяти имело огромное значения для удешевления и доступности микроконтроллеров. В дальнейшем мы будем иметь дело с энергонезависимой памятью не только в виде встроенных в микроконтроллер памяти программ и данных, но и с отдельными микросхемами, позволяющи­ми записывать довольно большие объемы информации.

Eeprom память на схеме Eeprom память на схеме Eeprom память на схеме Eeprom память на схеме Eeprom память на схеме Eeprom память на схеме Eeprom память на схеме Eeprom память на схеме

Тоже читают:



Поздравление с 60 летием отцу смешное

Простая коптильня на даче своими руками

Заточной станок для фрез по металлу своими руками

Поздравление с месяцем ребенка в прозе короткие

Как сделать горбушу в духовке фото