Элементы полупроводникоывх интегральных схем

В настоящее время разработаны различные виды машинной памяти. Одни конструктивно-технологически хорошо развиты, другие находятся на стадии снятия с производства. Появляются и новые типы машинной памяти, такие, как акустическая, магнитоэлектронная, электронно-оптическая, некоторые из них уже входят в стадию промышленной эксплуатации, например память на цилиндрических магнитных доменах.

Однако основным видом машинной памяти по совокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память на интегральных схемах (ИС).

Это объясняется рядом причин.

По универсальности применения и удобству подключения полупроводниковые ИС нельзя сравнить ни с какими другими ячейками памяти. Немаловажно и то, что полупроводниковая технология имеет в своем арсенале достаточно средств для перевода на интегральную основу любых известных схемотехнических решений и создания новых схем.

В конструктивном отношении полупроводниковые ИС представляют собой полупроводниковый кристалл, в объеме или на поверхности которого сосредоточены изолированные друг от друга элементы, соединенные согласно электрической схеме. Обычно каждому элементу схемы соответствует локальная область материала, свойства и характеристики которой обеспечивают выполнение определенных функций. Основу составляет транзисторная структура, которая является базовой для реализации всех входящих в схему активных и пассивных элементов.

Для построения полупроводниковых ЗУ используются ИС на биполярных транзисторах и на полевых транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзисторы).

В настоящее время четко обозначились два направления: в ИС на полевых транзисторах стремятся достичь максимальных степеней интеграции при умеренном быстродействии и малой потребляемой мощностью, тогда как на биполярных транзисторах строятся сверхскоростные ИС, которые можно было использовать как элементную базу сверхбыстродействующих ЭВМ.

Скорость переключения биполярного транзистора из одного состояния в другое, а значит и быстродействие ЗУ, определяется как параметрами самого прибора, так и схемой его включения. Практическая скорость срабатывания современных серийных элементов на биполярных транзисторах составляет 10^-9 - 10^-8 с. Минимальное время переключения определяется временем, в течение которого носители заряда проходят через базу транзистора бьлагодаря процессу диффузии.

В настоящее время наиболее распространенным материалом транзисторов является кремний. Подвижность электронов в кремнии ~ 0,1м²/(В*с). Наиболее перспективный материал для изготовления биполярных транзисторов ближайшего будущего - арсенид галлия (GaAs) - обладает подвижностью электронов около 1 м²/(В*с).

Полевые транзисторы имеют некоторое преимущество перед биполярными приборами. Они обладают высоким входным сопротивлением и могут работать при больших напряжениях на входе. Кроме того, управляемый ток в полевом транзисторе - это ток основных носителей заряда, который гораздо лучше реагирует на быстрые внешние сигналы.

Различные типы полевых транзисторов отличаются друг от друга принципом действия затвора. Существуют транзисторы, в которых роль затвора играют контакт металл-полупроводник, структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и т.д.

Характерной особенностью МДП-транзисторов является чрезвычайно высокое сопротивление между электродами. Это позволяет использовать электроды транзистора в качестве емкостных накопительных элементов, потенциал которых сохраняется на определенном уровне в течение продолжительного времени после отключения внешнего источника. Практическая скорость срабатывания МДП-ячейки составляет 5*10^-9 с.

Элемент памяти - триггер. Транзисторы и логические схемы на их основе сами по себе элементами памяти быть не могут, так как после прекращения действия входного импульса сразу возвращаются в исходное состояние.

Для элемента памяти нужно устройство, которое под действием входного сигнала могло бы переключаться из состояния 0 в состояние 1 и обратно и при этом после прекращения действия входного импульса запомнило бы свое состояние и могло находиться в нем неопределенно долго (до прихода следующего переключающего входного сигнала). Такие электронные схемы, имеющие два равнозначных варианта устойчивых значений, называют бистабильными ячейками или триггерами.

Так как входной сигнал кратковременный, а устойчивое состояние триггера сохраняется как угодно долго (при условии, что не происходит отключения питания схемы), то триггер тем самым выполняет логическую функцию запоминания.

Запоминающие элементы на ТТЛ-схемах (транзисторно-транзисторная логика на биполярных транзисторах) хорошо приспособлена к технологии больших интегральных схем (БИС). Их преимущество - высокая степень интеграции. ТТЛ-элементы могут быть совмещены с элементами, построенными на транзисторных переключателях тока.

Функциональные биполярные приборы в ИС памяти. Подавляющее большинство биполярных ИС памяти строится на приборах, функционально более сложных, чем традиционный транзистор.

Основу ИС памяти на ТТЛ-схемах составляют многоэмиттерные транзисторы. В первом приближении многоэмиттерный транзистор (МЭТ) можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов соединенных базами и коллекторами.

Очень часто транзистор сочетают с диодом Шотки. Диод Шотки в интегральном исполнении представляет собой контакт полупроводник (n-типа) - металл, на котором образуется так называемый барьер Шотки. Транзистор с барьером Шотки характеризуется большим коэффициентом усиления, малым инверсным коэффициентом передачи и значительным быстродействием.

Широкое распространение в логических и запоминающий устройствах получили интегральные схемы инжекционного типа. Их особенность - совместимость с технологией биполярных транзисторов, простота топологии и высокая плотность упаковки. На элементах инжекционной логики (И²Л) можно создавать компактные бистабильные триггерные схемы, а для повышения быстродействия в качестве коллекторов - использовать диоды Шотки.

Элементы памяти на МДП-транзисторах. Запоминающие элементы на биполярных и МДП-транзисторах обладают тем существенным недостатком, что даже кратковременное отключение питания приводит к разрушению записанной информации. Это затрудняет построение надежных полупроводниковых устройств памяти с электрической перезаписью информации. Поэтому большое значение приобретают бистабильные МДП-структуры, позволяющие создавать запоминающие элементы с электрической перезаписью и не разрушаемой при отключении питания информацией.

Принцип действия бистабильных МДП-транзисторов заключается в создании в слое диэлектрика объемного заряда, изменяющего пороговое напряжение. Этот заряд в диэлектрике может достаточно долго храниться при отсутствии на электродах транзистора напряжения. Для локализации заряда в структуре может быть использована граница раздела двух диэлектриков или созданный в диэлектрике специальный плавающий затвор. Бистабильным элементом первого типа является транзистор со структурой металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП). В основе работы МНОП-транзистора лежит накопление заряда на границе нитридного и оксидного слоев, что является результатом неодинаковых токов проводимости в том и другом слоях. Другой тип бистабильных МДП-транзисторов - это транзисторы с однослойным диэлектриком, внутри которого на небольшом расстоянии от поверхности расположен не имеющий внешнего вывода "плавающий" затвор. Информация хранится в виде заряда на изолированном затворе. Для стирания информации необходимо зарядить затвор - удалить инжекционный заряд.

Статические запоминающие элементы обычно строятся на основе триггеров. Они не требуют регенерации информации, могут неограниченно долго хранить ее при включенном питании и обладают высоким быстродействием. Их недостатки - достаточно большое постоянное потребление энергии и значительное количество приборов для построение ЗУ.

В схемах на МДП-транзисторах с каналами одного типа в режиме хранения информации практически полностью отсутствует потребление мощности (измеряется нановаттами). Существенное потребление мощности происходит только в режиме переключения.

Динамические запоминающие элементы. МДП-ячейки обычно используют в качестве основы для создания динамических систем памяти.

Информация хранится здесь в виде заряда на конденсаторе, включенном между электродом информационного МДП-транзистора и общей точкой схемы. В качестве такого запоминающего конденсатора используется емкость затвора информационного транзистора и включенные параллельно ей соответствующие паразитные емкости.

Поскольку всегда имеется некоторая утечка заряда конденсатора, необходимо периодическое восстановление специальными восстанавливающими импульсами. Отсюда и название - динамическая память.

Существует несколько вариантов построения динамической памяти. Они различаются между собой количеством транзисторов, числом и функциональным назначением информационных шин, последовательностью и характеристиками тактовых импульсов и, как следствие, быстродействием, потребляемой мощностью и площадью, занимаемой на кристалле.