Podręcznik

3.1. Pamięci ROM

Pamięci stałe wykorzystywane są do trwałego przechowywania informacji kontrolnych, wartości stałych oraz instrukcji programowych w sposób niezależny od zasilania systemu cyfrowego. Są to więc z definicji pamięci statyczne, realizowane w postaci matrycy komórek, w których elementem pamięci jest zwykle pojedynczy tranzystor gwarantujący przepływ danych we właściwym kierunku. Informacja (bit) jest magazynowana jako istnienie bądź nie istnienie przejścia za pośrednictwem tego tranzystora między rzędem (linią słów) a kolumną (linią bitów): 

 
Rys. 3.1 Schemat pamięci ROM w postaci matrycy NOR 

Wybór adresu komórki pamięci następuje przez podanie wysokiego napięcia na odpowiednią linię słów, czyli dołączone do niej bramki tranzystorów oraz przez połączenie wyjścia z odpowiednią linią bitów. Jeżeli na skrzyżowaniu wybranego rzędu i kolumny istnieje tranzystor, w którym może zostać zaindukowany kanał, to napięcie wyjściowe jest niskie, co w logice dodatniej oznacza przechowywanie tam zera logicznego. W przeciwnym przypadku napięcie wyjściowe jest bliskie napięciu zasilania, co odpowiada jedynce logicznej.

 Rozróżnia się: 
-    pamięci trwale zaprogramowane:
-    podczas wytwarzania przez fizyczne uformowanie struktury lub
-    po wyprodukowaniu przez jednorazowe przełączenie impulsem elektrycznym określonych komórek do stanu przewodzenia (zera logicznego) – pamięci programowalne PROM (Programmable ROM)
-    pamięci reprogramowalne EPROM (Erasable Programmable ROM) pozwalające na zmianę zapisu informacji, w których wszystkie bity są kasowanie przez naświetlenie promieniami ultrafioletowymi UV lub określone bity są kasowane selektywnie impulsem elektrycznym.

Matrycę pamięci trwale zaprogramowanej można zrealizować stosując zmienną grubość tlenku pod bramkami tranzystorów:

 
Rys. 3.2 Struktura matrycy pamięci ROM ze zmienną grubością tlenku bramkowego

Zeru logicznemu odpowiada cienki tlenek i mała wartość napięcia progowego tranzystora, ponieważ podanie wyższego napięcia na bramkę indukuje kanał o małej rezystancji łączący linię bitów z masą. Jedynka logiczna przechowywana jest w tranzystorze o grubym tlenku, któremu odpowiada duże napięcie progowe, wyższe od amplitudy impulsu podanego do linii słów. W tym przypadku zaindukowanie kanału nie jest możliwe i na wyjściu pojawia się napięcie wysokie.

W komórkach pamięci reprogramowalnych wykorzystuje się zjawisko magazynowania ładunku:
-    na granicy dwóch dielektryków bramkowych ( np. SiO₂ i Si₃N₄ w strukturze MNOS) lub
-    na pływającej (izolowanej) bramce tranzystora (struktura FAMOS – Floating Gate Avalanche-Injection MOS).

W przypadku struktur MNOS w pułapkach zlokalizowanych na granicy dielektryków można zgromadzić ładunek dostarczony prądem tunelowym wymuszonym odpowiednio dużym napięciem zapisu na bramce tranzystora. Ładunek ten DQ_sr zanika bardzo wolno (50% na 10 lat) i powoduje trwałą zmianę wartości napięcia progowego U_T. Podczas odczytu informacji wartość U_T decyduje, czy zostanie zaindukowany kanał o dużej przewodności i tym samym czy na linii bitów otrzyma się niski lub wysoki poziom napięcia (zero lub jedynkę logiczną). Informację można skasować polaryzując bramkę tranzystora odwrotnie do napięcia zapisu.
 
Wykorzystując strukturę FAMOS można zrealizować komórkę pamięci w postaci tranzystora z dwiema bramkami:

 
Rys. 3.3 Komórka pamięci EPROM z izolowaną bramką

Gdy na izolowanej bramce brak ładunku, dzielnik pojemnościowy powoduje, że kanał indukowany jest przy napięciu na bramce 2 (połączonej z linią słów) większym niż w strukturze klasycznej (ok. 2 U_T), lecz przy typowych wartościach zasilania odczytana informacja nadal odpowiada zeru logicznemu (w matrycy z rys. 3.1).
Polaryzując silnie bramkę 2 i dren tranzystora (ok. 25 V) względem źródła i podłoża wywołuje się przebicie lawinowe złącza dren-podłoże, przyspieszenie nośników w silnym polu elektrycznym przy drenie, przejście części tych „gorących elektronów” (o bardzo dużej energii) przez cienki tlenek i przechwycenie ich przez bramkę 1. Ten zmagazynowany ujemny ładunek wymusza, przy braku polaryzacji tranzystora, ujemny potencjał bramki 1 i uniemożliwia zaindukowanie kanału po spolaryzowaniu bramki 2 typowym napięciem zasilającym. Oznacza to przechowywanie jedynki logicznej w tej komórce pamięci. Wymazanie informacji jest możliwe przez naświetlenie promieniowaniem UV wywołującym upływność tlenku.

W oparciu o powyższą konstrukcję można zrealizować pamięć elektrycznie reprogramowalną E²PROM (Electrically Erasable PROM) stosując bardzo cienki tlenek umożliwiający przejścia tunelowe jak w strukturze MNOS. W takim przypadku rola bramki 1 w magazynowaniu ładunku jest podobna do roli pułapek na granicy dielektryków.