|
Содержание Введение I Классификация микропроцессоров Классификация микропроцессоров II Архитектура микропроцессоров Основные характеристики Структура типового микропроцессора Логическая структура Устроиство управления Особенности программного и микропрограммного управления операциями Система команд Режимы адресации Типы архитектуры III Организация ввода/вывода в микропроцессорной системе Организация ввода/вывода в МПС Программная модель внешнего устройства Форматы передачи данных Параллельная передача данных Последовательная передача данных Синхронный последовательный интерфейс Асинхронный последовательный интерфейс Способы обмена информацией Программно-управляемый ввод/вывод Организация прерываний в микроЭВМ Организация прямого доступа к памяти IV Память микропроцессорной системы Память микропроцессорной системы Основные характеристики полупроводниковой памяти Постоянные запоминающие устройства Полевой транзистор с плавающим затвором МНОП транзистор Оперативные запоминающие устройства Статические запоминающие устройства Динамические запоминающие устройства Запоминающие устройства с произвольной выборкой Микросхемы памяти в составе микропроцессорной системы Буферная память Стековая память V Проектирование микропроцессорных систем Проектирование МПС Уровни представления микропроцессорной системы Ошибки, неисправности, дефекты Отладка Обнаружение ошибки и диагностика неисправности Функции средств отладки Этапы проектирования микропроцессорных систем Источники ошибок Проверка правильности проекта Автономная отладка микропроцессорных систем Отладка программ Заключение Лабораторный практикум Список литературы Список вопросов |
Постоянные запоминающие устройстваПрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Полевой транзистор с плавающим затворомКонструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 4.1. Рис. 4.1. МОП транзистор с плавающим затвором Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал «плавает». Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:
— или над барьером «горячих» носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки. 
Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t, а значит, и пороговое напряжение, определяется как где J(t) — величина инжекционного тока в момент времени t. Рис. 4.2. . Инжекция горячих электронов в диэлектрик МДП-транзистора и другие процессы, проходящие при лавинном пробое подложки Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неод-нородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти.
МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Фe=3. МНОП транзисторНа рис. 4.3 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4. Рис. 4.3. Конструкция МНОП транзистора: 1 — металлический затвор; 2,3 — области истока и стока соответственно; 4 — подложка. Запись информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв. Рис. 4.4. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма). Ток в окисле Jox — туннельный ток инжекции, ток JN — ток сквозной проводимости в нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A — константы, Е — напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде. Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:
Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов «запись-стирание» обычно не менее 105.
<<< Содержание >>> |
Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.
см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).
Flash-память. Устройство и принцип работы. NAND и NOR-память.
Aveal
Всем доброго дня! Сегодняшняя статья положит начало новому небольшому циклу статей, посвященному хранению информации, различным типам памяти, способам записи/считывания данных и всему, что с этим связано. И начнем мы с устройства хорошо всем знакомой Flash-памяти.
Что из себя вообще представляет Flash-память? Сегодня детально разберемся и проанализируем основные протекающие процессы.
Итак, сердцем многих устройств памяти является полевой транзистор с плавающим затвором. Гениальное изобретение 70-х годов 20-го века. Его отличие от обычных полевых транзисторов заключается в том, что между затвором и каналом, прямо в диэлектрике, расположен еще один проводник — который и называют плавающим затвором. Вот как все это выглядит:
На рисунке мы видим привычные нам сток-исток-затвор, а также расположенный в диэлектрике дополнительный проводник. Теперь разберемся, как же это устройство работает.
Создадим между стоком и истоком разность потенциалов и подадим положительный потенциал на затвор. Что тогда произойдет? Верно, через полевой транзистор, от стока к истоку потечет ток. Причем величина тока достаточно велика для того, чтобы «пробить» диэлектрик. В результате этого пробоя часть электронов попадет на плавающий затвор. Отрицательно заряженный плавающий затвор создает электрическое поле, которое начинает препятствовать протеканию тока в канале, в результате чего транзистор закрывается.
Но, конечно же, есть способ разрядить плавающий затвор. Для этого надо всего лишь подать на «основной» затвор напряжение противоположного знака, которое и «сгонит» все электроны, в результате чего плавающий затвор останется незаряженным. Собственно так и происходит хранение информации — если на затворе есть отрицательный заряд, то такое состояние считается логической единицей, а если заряда нет — то это логический ноль.
С сохранением информации разобрались, осталось понять, как считать информацию из транзистора с плавающим затвором. Это также довольно просто 👍
При наличии заряда на плавающем затворе его электрическое поле препятствует протеканию тока стока. Допустим, при отсутствии заряда мы могли подавать на «основной» затвор напряжение +5В, и при этом в цепи стока начинал протекать ток. При заряженном плавающем затворе такое напряжение не сможет заставить ток течь, поскольку электрическое поле плавающего затвора будет ему мешать.
В этом случае ток потечет только при напряжении +10В (к примеру). Таким образом, мы получаем два пороговых значения напряжения. И, подав, к примеру +7.5В мы сможем по наличию или отсутствию тока стока сделать вывод о наличии или отсутствии заряда на плавающем затворе. Вот таким образом и происходит считывание сохраненной информации.
Как все это связано с Flash-памятью? А очень просто — полевой транзистор с плавающим затвором является минимальной ячейкой памяти, способной сохранить один бит информации. А любая микросхема памяти состоит из огромного количества расположенных определенным образом транзисторов. И вот теперь пришло время рассмотреть основные типы Flash-памяти, в частности, NOR и NAND-память.
Оба этих типа построены на основе транзисторов с плавающим затвором, которым мы сегодня уделили немало времени. А принципиальное отличие состоит в том, каким образом соединены эти транзисторы. Конструкция NOR использует двумерную таблицу проводников. Проводники называют линией битов и линией слов.
Все стоки транзисторов подключаются к линии битов, а все затворы к линии слов. Рассмотрим пример для лучшего понимания:
Пусть нам надо считать информацию из какой-то конкретной ячейки. Эта ячейка, а точнее этот конкретный транзистор, подключен затвором на одну из линий слов, а стоком на одну из линий битов. Тогда мы просто подаем пороговое напряжение на линию слов, соответствующую затвору нашего транзистора, и считываем его состояние как в том примере, что мы рассмотрели чуть выше для одной ячейки.
С NAND все несколько сложнее. Если возвращаться к аналогии с массивом, то ячейки NAND-памяти представляют собой трехмерный массив. То есть к каждой линии битов подключен не один, а сразу несколько транзисторов, что в итоге приводит к уменьшению количества проводников и увеличению компактности. Это как раз и является одним из главных преимуществ NAND-памяти. Но как же нам считать состояние определенного транзистора при такой структуре? Для понимания процессов рассмотрим схему:
Как видно из схемы, одна линия битов соответствует нескольким ячейкам.
И важной особенностью является следующее: если хотя бы один из транзисторов закрыт, то на линии битов будет высокое напряжение. Вот смотрите:
Действительно, низкий уровень на линии битов будет только тогда, когда вся цепочка транзисторов окажется открытой.
С этим вроде бы понятно, возвращаемся к нашему вопросу — как же считать состояние конкретного транзистора? А для этого недостаточно просто подать на линию слов (на затвор транзистора) пороговое напряжение и следить за сигналом на линии битов. Необходимо еще чтобы все остальные транзисторы были в открытом состоянии. А делается это так — на затвор нашего транзистора, состояние которого нам нужно считать, подается пороговое напряжение (как и в случае с NOR-памятью), а на затворы всех остальных транзисторов в этой цепочке подается повышенное напряжение, такое, чтобы независимо от состояния плавающего затвора транзистор открылся. И тогда считав сигнал с линии битов мы узнаем в каком состоянии интересующий нас транзистор (ведь все остальные абсолютно точно открыты).
Вот и все!
И на этом на сегодня заканчиваем обсуждение, надеюсь, что статья окажется полезной и понятной, до скорых встреч.
Что такое транзистор с плавающим затвором (FGT)?
По
- Кэрол Слива
Транзистор с плавающим затвором (FGT) представляет собой комплементарную технологию металл-оксид-полупроводник (CMOS), способную удерживать электрический заряд в запоминающем устройстве, используемом для хранения данных.
Транзисторы с плавающим затворомсначала использовались в стираемой программируемой постоянной памяти (EPROM), а затем в электронно стираемой программируемой постоянной памяти (EEPROM). Флэш-память — это тип EEPROM, который программируется и стирается большими блоками.
Ячейки микросхемы флэш-памяти расположены в виде сетки с транзистором на каждом пересечении.
Каждый транзистор имеет два затвора: один известен как плавающий затвор, а другой называется управляющим затвором. Два затвора отделены друг от друга тонким диэлектрическим материалом, обычно называемым оксидным слоем. Поскольку плавающий затвор электрически изолирован оксидным слоем, любые электроны, размещенные на нем, захватываются им. Это то, что делает флэш-память энергонезависимой.
Флэш-память работает, добавляя (заряжая) или удаляя (разряжая) электроны в плавающий затвор и из него. Состояние бита 0 или 1 зависит от того, заряжен ли плавающий затвор или нет. Когда электроны присутствуют на плавающем затворе, ток не может течь через транзистор, и состояние бита равно 0. Это нормальное состояние для транзистора с плавающим затвором, когда бит запрограммирован. Когда электроны удаляются из плавающего затвора, ток может течь, а битовое состояние равно 1,9.0014
Для добавления или захвата электронов в плавающий затвор используются два варианта: туннелирование Фаулера-Нордгейма и канальная инжекция горячих электронов (CHE).
Для туннелирования Фаулера-Нордхейма требуется сильное электрическое поле между отрицательно заряженным источником и положительно заряженным управляющим затвором, чтобы втягивать электроны в плавающий затвор. Электроны движутся от источника через тонкий слой оксида к плавающему затвору, где они захватываются между слоями оксидной изоляции.
Инжекция горячих электронов в канал, также известная как инжекция горячих носителей, использует сильный ток в канале, чтобы дать электронам достаточную энергию, чтобы «выкипеть» из канала и прорвать туннельный оксидный слой, изменяя пороговое напряжение плавающего затвора. . Положительный заряд на управляющем затворе притягивает электроны из канала в плавающий затвор, где они попадают в ловушку.
Оксидный слой, окружающий плавающий затвор, удерживает электроны в ловушке независимо от того, есть ли у флэш-устройства питание, что обеспечивает постоянное хранение битов данных.
Два механизма также используются для удаления электронов из плавающего затвора.
В технологии EPROM воздействие ультрафиолетового света на ячейку памяти приводит к утечке электронов из плавающего затвора. В устройствах EEPROM и флэш-памяти туннелирование Фаулера-Нордхейма удаляет электроны из плавающего затвора. Сильный отрицательный заряд на управляющем затворе заставляет электроны проходить через туннельный оксидный слой в канал, где электроны притягиваются к сильному положительному заряду в истоке и стоке.
Плавающий затвор и ловушка заряда — это типы полупроводниковой технологии, способные удерживать электрический заряд в устройстве флэш-памяти, но химический состав их накопительных слоев различается, и они по-разному добавляют и удаляют электроны.
Устройства флэш-памяти, использующие транзисторы с плавающим затвором в ячейках памяти, хранят электроны в изолированном проводящем слое поликристаллического кремния. Заряд плавающего затвора изменяется, когда в него запрограммированы электроны для создания порогового сдвига напряжения в транзисторе.
Устройства, использующие технологию улавливания заряда, обычно хранят электроны в непроводящем изоляционном слое из нитрида кремния. Принуждение электронов к нитридному слою также вызывает сдвиг порогового напряжения, и электроны удерживаются в непроводящем материале.
Флэш-устройства, в которых используется технология улавливания заряда, как правило, менее сложны в производстве, чем те, в которых используются транзисторы с плавающим затвором. Устройства ловушки заряда обычно требуют меньше энергии для программирования и меньшего количества технологических операций, и они меньше подвержены износу, поскольку операция программирования оказывает меньшее давление на оксидный слой. Однако производители столкнулись с проблемами при массовом производстве устройств флэш-памяти NAND, в которых используется технология улавливания заряда. Метод, используемый для удаления электронов из ловушки заряда, может быть сложным, и сохранение данных может быть проблемой во флэш-устройствах на основе ловушки заряда.
Advanced Micro Devices Inc. и Fujitsu Semiconductor Ltd. были пионерами в массовом производстве технологии ловушки заряда в устройствах флэш-памяти NOR. Spansion Inc. приобрела микроконтроллерный и аналоговый бизнес Fujitsu Semiconductor в 2013 году, а Cypress Semiconductor Corp. впоследствии объединилась с Spansion в 2015 году. Macronix использует технологию улавливания заряда при производстве устройств постоянной памяти (ПЗУ). Производители флэш-памяти NAND, такие как Samsung, SK Hynix и Toshiba, используют технологию улавливания заряда при производстве флэш-памяти 3D NAND. Intel и Micron продолжают использовать транзисторы с плавающим затвором в своей технологии 3D NAND.
Последнее обновление: апрель 2018 г.
Продолжить чтение О транзисторе с плавающим затвором (FGT)- Основы надежности флэш-памяти NAND
- Проблемы производства флэш-памяти NAND
- В твердотельных накопителях Intel NVM Express используется технология плавающих затворов
- Различные архитектуры для флэш-памяти 3D NAND
- Плавающий затвор против ловушки заряда для флэш-памяти 3D NAND
EPROM (стираемая программируемая постоянная память)
Автор: Рахул Авати
Комплементарный металл-оксид-полупроводник (КМОП)
Автор: Роберт Шелдон
QLC против твердотельных накопителей TLC: что лучше всего подходит для ваших потребностей в хранении?
Автор: Курт Марко
Транзистор
Автор: Рахул Авати
SearchDisasterRecovery
- Почему план аварийного восстановления HIPAA имеет решающее значение
Аварийное восстановление — сложная операция с высокими ставками.
Когда в дело вступают медицинские данные, хороший план аварийного восстановления становится еще более важным… - Используйте ISO 22320:2018 для подготовки плана управления инцидентами
Управление инцидентами имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы предприятия могли справляться с незапланированными деструктивными событиями. Узнайте, как ISO:22320:…
- Новый генеральный директор Everbridge вступает в должность в критический момент
Новый генеральный директор Everbridge Дэвид Вагнер подробно описывает сферы своей деятельности в компании. Инвестор Ancora предположил, что частный капитал …
Когда в дело вступают медицинские данные, хороший план аварийного восстановления становится еще более важным…SearchDataBackup
- Основатель Cohesity и новый генеральный директор обсуждают стратегию управления данными
Нынешний и бывший руководители Cohesity стремятся вывести компанию на «новый уровень». В планы входит объединение резервного копирования и безопасности как .
.. - Викторина по защите данных RAID: проверьте свои знания
Насколько хорошо вы знаете RAID? Возможно, пришло время проверить свои ноу-хау. Узнайте, что вы знаете об уровнях RAID, их происхождении и их …
- Программа LTO надеется превысить 1,4 ПБ на ленту
Программа LTO изложила обновленную дорожную карту, показывающую, что лента может преодолеть барьер в 1 петабайт в течение следующего десятилетия, сохраняя …
..SearchDataCenter
- Лучшие практики оптимизации сети центра обработки данных
Оптимизация сети центра обработки данных может улучшить влияние на бизнес и обеспечить долгосрочную работоспособность оборудования. Посмотрите, чтобы испытать новое оборудование,…
- Советы по созданию стратегии управления воздушным потоком в центре обработки данных
Воздушный поток в центрах обработки данных имеет решающее значение для исправности оборудования.
Несмотря на то, что горячий/холодный проход популярен, рассмотрите другие варианты, такие как … - Как использовать отчеты файлового сервера в FSRM
Отчеты файлового сервера в диспетчере ресурсов файлового сервера могут помочь администраторам выявлять проблемы, а затем устранять неполадки серверов Windows…
Несмотря на то, что горячий/холодный проход популярен, рассмотрите другие варианты, такие как …Флэш-накопители: методы и материалы
Системы флэш-памяти хранят информацию в виде единиц и нулей на массивах транзисторов с плавающим затвором. Прежде чем мы углубимся в детали, это означает, что информация хранится в электрической форме: наличие или отсутствие электронов на определенной части транзистора (плавающем затворе) изменяет его проводящие свойства. Поскольку проводимость можно оценить, подав напряжение на транзистор и увидев, какой ток в результате проходит через него (закон Ома), это означает, что можно определить наличие или отсутствие электронов на плавающем затворе. Это физическая основа для представления информации (1 или 0) во флэш-памяти.
МОП-транзистор
Вам следует прочитать длинный раздел о МОП-транзисторах, чтобы полностью понять, как работает обычный транзистор. Схему вы можете увидеть на рисунке справа.
| Схема МОП-транзистора |
Вкратце, ток течет между истоком и стоком по каналу. Но то, сколько тока течет, контролируется напряжением, подаваемым на затвор. Изменяя напряжение на затворе, можно изменить проводимость канала и, таким образом, включить или выключить транзистор (т.е. сделать его проводящим хорошо или плохо и таким образом создать большой или малый ток от истока к стоку). Физически электрическое поле, создаваемое затвором, отталкивает или притягивает проводящие заряды в канале: отсюда и «полевой эффект» в названии MOSFET. По сути, у нас есть элементарный переключатель.
Самое главное, полевой МОП-транзистор является энергозависимым: он забывает свое состояние, если отключается питание и не поддерживается напряжение на затворе.
Если напряжение на затворе снимается, транзистор забывает, что оно было приложено. Таким образом, МОП-транзистор нельзя использовать для постоянного (или полупостоянного) хранения информации без постоянного питания. Вот где на помощь приходит транзистор с плавающим затвором!
Транзистор с плавающим затвором
| Схема транзистора с плавающим затвором (из http://daedalus.caltech.edu/~julie/research.htm) |
Справа схематическое изображение полевого МОП-транзистора с плавающим затвором. Единственное отличие от стандартного MOSFET заключается в добавлении нового затвора, называемого плавающим затвором, между исходным затвором и каналом. Первоначальные ворота (самые верхние) теперь называются контрольными воротами. Плавающий затвор представляет собой изолированный проводящий остров: он со всех сторон окружен оксидным изолятором. Но транзистор работает (в основном) стандартным образом, в котором контролируется ток исток-сток и он управляется напряжением управляющего затвора.
Это означает, что электроны, помещенные на плавающий затвор, могут оставаться там в течение длительного времени, как правило, в течение многих лет при нормальных рабочих условиях, поскольку у них нет прямого пути утекания от плавающего затвора (почему см. ниже). они вообще уходят). Это означает, что в качестве информационного бита (ноль или единица) можно использовать состояние заряда плавающего затвора: наличие или отсутствие электронов на плавающем затворе является двоичным битом. Но иметь информацию — это не то же самое, что уметь ее читать… Так как же это достигается?
| p-легированный транзистор с плавающим затвором: нет управляющего напряжения на затворе и нет электронов на плавающем затворе | p-легированный транзистор с плавающим затвором: управляющее напряжение на затворе отсутствует, но электроны размещены на плавающем затворе; это привлекает отверстия |
Обратите внимание, что плавающие ворота расположены между воротами управления и каналом.
Следовательно, когда дополнительные электроны присутствуют (или отсутствуют) в плавающем затворе, их присутствие и, следовательно, электрические поля и силы, которые они создают, изменяют действие напряжения затвора на канал. Например, как показано справа на рисунке выше, когда электроны присутствуют на плавающем затворе, они притягивают дырки в канале p-типа и тело к области канала прямо под плавающим затвором. Повышенная плотность дырок изменяет проводимость области канала (см. описание MOSFET-транзисторов для получения более подробной информации). Или, если смотреть по-другому, электроны на плавающем затворе изменяют значение напряжения на затворе, необходимое для достижения желаемой проводимости канала. Когда плавающий затвор лишен электронов, как показано слева выше, управляющему напряжению затвора потребуется более отрицательное значение, чтобы получить ту же проводимость. Вся эта установка переводит состояние заряда плавающего затвора в уровень тока исток-сток, который можно измерить.
При правильном выборе напряжений на управляющем затворе и зарядов на плавающем затворе можно обеспечить сильный или слабый ток в зависимости от состояния зарядки плавающего затвора. Поэтому, измеряя проводимость (ток исток-сток), можно сделать вывод, находятся ли электроны на плавающем затворе или нет.
Как электроны попадают на плавучие ворота и выходят из них, или, что то же самое, как можно записывать и стирать информацию? Чтобы убрать электроны с плавающего затвора (режим стирания), нужно использовать любопытный процесс квантового туннелирования. Область между плавающим затвором и каналом является изолирующей: это означает, что электроны в плавающем затворе должны преодолеть энергетический барьер, чтобы пройти («перепрыгнуть») в канал, и у них нет необходимой энергии. Однако в квантовой механике электроны имеют волновое поведение, что означает, что они всегда могут «утекать» через барьеры; вероятность мала для высокого барьера, но никогда не равна нулю; и вероятность может быть увеличена за счет снижения барьера.
| Транзистор с плавающим затвором, легированный p: отрицательное управляющее напряжение на затворе отталкивает электроны в плавающем островке, снижает барьер для туннелирования (обозначен фиолетовым цветом процесса туннелирования для электрона) |
Таким образом, всегда существует поток электронов, которые покидают заряженные плавающие затворы — просто в нормальных условиях ток настолько мал, что плавающие затворы разряжаются за счет квантового туннелирования годами. Однако процесс можно значительно ускорить, снизив энергетический барьер в изоляторе. Это достигается путем подачи большого отрицательного напряжения на управляющий затвор, так что электроны в плавающем затворе отталкиваются сверху и притягиваются к области канала внизу: это значительно уменьшает барьер и сильно усиливает туннелирование (оксид все еще является изолятором, но только изолятор, представляющий более низкий барьер).
