Домашний компьютер № 9 (123) 2006

Домашний_компьютер

EPROM(erasable programmable rom) — стираемая/программируемая rom. По-русски иногда называют ПППЗУ («Перепрограммируемое ПЗУ»). Иногда употребляется как синоним UV-EPROM.

EEPROM(electrically erasable programmable rom) — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, ЭСППЗУ.

UV-EPROM (ultra-violet eprom) — ультрафиолетовая eprom, УФППЗУ. Исторически первая коммерческая разновидность EPROM, операция стирания в которой производится ультрафиолетом через специальное окошко.

Flash memory — первоначально термин придуман для обозначения прогрессивной разновидности EEPROM, в которой чтение/запись

для ускорения процесса производятся сразу целыми блоками. Позднее (когда медленная EEPROM исчезла из обращения) стал фактическим синонимом EEPROM и теперь обозначает ее любые разновидности.

Элементарная ячейка DRAM

Чтобы лучше понять принцип работы EEPROM, начнем с самого простого — ячейки обычной DRAM. Как вы можете убедиться, взглянув на рис. 2,

— схема состоит из одного транзистора и одного конденсатора, занимающего места раза в четыре больше транзистора (в основном вглубь кристалла). Потому ячейки DRAM довольно просто сделать очень малых размеров, а следовательно, «упаковать» их большее количество на один кристалл, не теряя в быстродействии. Отсюда и распространенность DRAM в качестве компьютерных ОЗУ — при всем кажущемся неудобстве процессов, связанных с непрерывной регенерацией содержимого.

А как происходит чтение данных с такой ячейки? Для этого подается высокий уровень напряжения на линию строк (рис. 2), транзистор открывается, и заряд, хранящийся на конденсаторе данной ячейки, поступает на вход усилителя, установленного на выходе столбца. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю на выходе, а его наличие — логической единице. Обратите внимание, что подача высокого уровня напряжения на линию строк откроет все транзисторы выбранной строки, и данные окажутся на выходе усилителей по всем столбцам сразу. Естественно, при этом все подключенные конденсаторы почти немедленно разрядятся (если они были заряжены), отчего процедура чтения из памяти обязана заканчиваться регенерацией данных — так и происходит, причем автоматически. На практике в первых IBM PC регенерация и заключалась в осуществлении «фиктивной» операции чтения данных.

Я так подробно остановился на принципах работы ячейки DRAM потому, что любая современная память всегда хранит информацию в виде зарядов. И знание принципа работы самого простого элемента памяти нам поможет теперь понять, что же пришлось изменить в этой конструкции для обеспечения хранения заряда достаточно длительный срок.

Ячейка EPROM

Вы можете спросить — а с чего, собственно, столь быстро утекают заряды в ячейке DRAM? Неужели нельзя обкладки конденсатора изолировать получше? Изолировать-то можно, однако это делу не поможет — быстрая утечка зарядов обусловлена наличием транзистора, который состоит вовсе не из изолятора, а из хоть и полу-, но проводника, потому даже в запертом виде имеет мизерные, но конечные токи утечки. В паре с неизбежно маленькой емкостью самого конденсатора это и приводит к очень быстрому разряду (и токи утечки, и емкости измеряются в единицах с приставкой «пико»). В идеале следовало бы конденсатор изолировать полностью, но как тогда его перезаряжать при записи информации?

Замечательное изобретение сотрудника Intel Дона Фрохмана как раз и состояло в том, что он придумал, как это сделать. Но сначала давайте посмотрим, как работает сконструированный им полевой транзистор с плавающим затвором при чтении информации.

На рис. 3

представлено устройство элементарной ячейки, лежащей в основе всех современных типов флэш-памяти. Если исключить из нее «плавающий затвор», мы получим самый обычный полевой транзистор — такой же, как тот, что входит в ячейку DRAM. Если подать на управляющий затвор такого транзистора положительное напряжение, он откроется, и через него потечет ток (состояние «логическая единица»).

На рис. 4

и

изображен именно такой случай, когда плавающий затвор не оказывает никакого влияния на работу ячейки, — такое состояние характерно для «чистой» флэш-памяти, в которую еще ни разу ничего не записывали.

Если же мы каким-то образом ухитримся разместить на плавающем затворе некоторое количество зарядов — свободных электронов (на рис. 3 они показаны в виде красненьких кружочков), — то они будут экранировать действие управляющего электрода, и такой транзистор вообще перестанет проводить ток. Это состояние — «логический ноль» 8 . Поскольку затвор «плавает» в толще изолятора (двуокиси кремния, SiO2), то сообщенные ему однажды заряды в покое никуда деться не могут. И записанная таким образом информация может храниться десятилетиями (производители обычно давали гарантию 10 лет, но на практике это время значительно больше).

8 Строго говоря, в NAND-чипах логика обязана быть обратной — если в обычной EPROM запрограммированную ячейку вы не можете открыть подачей считывающего напряжения, то там ее нельзя «запереть» снятием напряжения. Поэтому чистая NAND-память выдает все нули, а не единицы, как EPROM и флэш-память типа NOR.

Осталось всего ничего — придумать, как размещать заряды на изолированном от внешних влияний плавающем затворе. И не только размещать — ведь иногда память приходится и стирать, — поэтому должен существовать способ извлекать их оттуда. В первых образцах EPROM (UV-EPROM — тех самых, что стирались ультрафиолетом) слой окисла между плавающим затвором и подложкой был достаточно толстым (если, конечно, величину 50 нанометров можно охарактеризовать словом «толстый»), и работало все это довольно грубо. При записи на управляющий затвор подавали достаточно высокое положительное напряжение — до 36—40 В (что для микроэлектронной техники считается просто катастрофическим перенапряжением), а на сток транзистора — небольшое положительное. При этом электроны, которые двигались от истока к стоку, настолько ускорялись полем управляющего электрода, что барьер в виде изолятора между подложкой и плавающим затвором просто «перепрыгивали». 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 заряжать хотя бы несколько тысяч ячеек. И хотя такой ток требовался на достаточно короткое время (хотя с точки зрения быстродействия схемы не такое уж и короткое — миллисекунды), это было крупнейшим недостатком всех старых образцов EPROM-памяти. Еще хуже другое — и изолятор, и сам плавающий затвор такого «издевательства» долго не выдерживали, постепенно деградируя, отчего количество циклов записи/стирания было ограничено несколькими сотнями, максимум — тысячами. Во многих образцах флэш-памяти (даже более поздних) была предусмотрена специальная схема для хранения карты «битых» ячеек — в точности так, как это делается в жестких дисках. В современных моделях такая карта, кстати, тоже имеется — однако число циклов стирания/записи возросло до сотен тысяч и даже миллионов.

Теперь посмотрим, как осуществлялось в этой схеме стирание. В упомянутой UV-EPROM при облучении ультрафиолетом фотоны высокой энергии сообщали электронам на плавающем затворе достаточный импульс, чтобы они «прыгали» обратно на подложку самостоятельно, без каких-либо электрических воздействий. А Джордж Перлегос использовал «квантовый эффект туннелирования Фаулера-Нордхейма» (Fowler-Nordheim) в электрически стираемой памяти (EEPROM). За непонятным названием кроется довольно простое (но очень сложное с физической точки зрения), по сути, явление: при достаточно тонкой пленке изолятора (10 нм) электроны, если их слегка «подтолкнуть» не слишком высоким напряжением в нужном направлении, могут «просачиваться» через барьер, не перепрыгивая его. Процесс показан на рис. 4 (обратите внимание на знак напряжения на управляющем электроде).