Podręcznik

Pamięci dynamiczne RAM są najbardziej znanym rodzajem pamięci półprzewodnikowych, ponieważ to właśnie te pamięci są powszechnie stosowane jako pamięci operacyjne komputerów. Zarówno schemat (rysunek 4-4), jak i zasada działania komórki takiej pamięci są bardzo proste. Proces zapisu polega na ładowaniu lub rozładowywaniu pojemności C. Gdy linia słowa jest w stanie „1”, a na linię bitu podane jest napięcie V_{DD}, pojemność C ładuje się poprzez tranzystor, który jest włączony. Gdy zaś na linii bitu panuje napięcie równe zeru, pojemność C ulega rozładowaniu. W ten sposób zapisywana jest jedynka lub zero. Przy odczycie napięcie z kondensatora podawane jest przez włączony tranzystor na linię bitu.

Rysunek 4 4. Komórka pamięci dynamicznej RAM

Ta prosta zasada jest jednak bardzo trudna do praktycznego wykorzystania. Problem stwarza zjawisko podziału ładunku przy odczycie (patrz punkt 3.1.1). Pojemność pasożytnicza linii bitu, do której dołączone jest bardzo wiele komórek pamięci, jest wielokrotnie większa od pojemności kondensatora C w pojedynczej komórce. W rezultacie przy odczycie jedynki odczytywane z komórki pamięci napięcie jest wielokrotnie mniejsze od napięcia $V_{DD}$. Typowa wartość odczytywanego napięcia jedynki to kilkadziesiąt miliwoltów. Po odczycie napięcie na kondensatorze pozostaje na tym poziomie, toteż następny odczyt jedynki nie jest już możliwy. Wynika z tego, że:

•  odczyt wymaga zastosowania wzmacniacza regenerującego właściwy poziom logiczny,
•  po odczycie konieczne jest odświeżenie zawartości komórki przez ponowny zapis do niej odczytanego stanu logicznego.

Dlatego układy zapisu/odczytu dla pamięci dynamicznych są dużo bardziej skomplikowane niż w przypadku pamięci statycznych. Rysunek 4-5 ilustruje w uproszczeniu układ odczytu oraz przebieg procesu odczytu i odświeżenia zawartości komórki. Wykorzystuje się tu zasadę wstępnego ładowania, znaną nam już z bramek dynamicznych typu DOMINO (punkt 3.1.2), ale tutaj wykorzystaną w nieco inny sposób.

Każdej linii bitu B towarzyszy fałszywa linia bitu F, do której nie są podłączone żadne komórki pamięci, ale która ma pojemność pasożytniczą o wartości takiej samej (lub zbliżonej), jak linia bitu B. Przed odczytem obie linie są wstępnie ładowane do napięcia równego w przybliżeniu połowie $V_{DD}$. Odbywa się to z chwilą podania jedynki na linię P. Po zakończeniu wstępnego ładowania na liniach B i F panuje jednakowe napięcie podtrzymywane dzięki pojemnościom pasożytniczym tych linii Cb. Następnie podawana jest jedynka na linię słowa S. Dzięki temu pojemność C komórki pamięci zostaje dołączona przez tranzystor do linii bitu B. Jeżeli w komórce zapamiętana była jedynka (czyli napięcie na kondensatorze było równe lub bliskie $V_{DD}$), ładunek z kondensatora C doładowuje pojemność pasożytniczą linii bitu Cb i powoduje podskok napięcia o wartości kilkudziesięciu miliwoltów. Napięcie na linii F nie zmienia się, powstaje więc różnica napięć na wejściu wzmacniacza odczytu. Jest to, podobnie jak w układach pamięci statycznej, komparator napięcia. Jest tak skonstruowany, że na jego wyjściu pojawia się pełne napięcie jedynki, czyli $V_{DD}$, gdy  $V_B>V_F$, a napięcie równe zeru, jeśli $V_B\le V_F$.

Stan z wyjścia wzmacniacza odczytu podawany jest na wyjście z pamięci, a także – po podaniu jedynki na bramkę tranzystora oznaczoną R – na linię bitu B. W rezultacie następuje ponowne naładowanie kondensatora C komórki pamięci do napięcia reprezentującego jedynkę. Pokazuje to przebieg napięcia na linii B (rysunek 4-5, czerwona linia). Jeśli natomiast w chwili odczytu w komórce zapisane jest zero, czyli kondensator C jest rozładowany, to ładunek odpływa do niego z linii bitu, co powoduje spadek napięcia na tej linii o kilkadziesiąt miliwoltów. Różnica napięć na wejściu wzmacniacza różnicowego powoduje pojawienie się na jego wyjściu napięcia równego zeru. To napięcie, czyli „0”, jest podawane na wyjście, a także - poprzez tranzystor R - na linię bitu. Napięcie na tej linii spada do zera, co powoduje także rozładowanie do zera pojemności C w komórce pamięci. W ten sposób w komórce pamięci pozostaje zapisane zero. Przebieg napięcia na linii bitu pokazany jest na rysunku 4-5 niebieską linią.
 

Rysunek 4 5. Zasada odczytu z komórki pamięci dynamicznej. Przebieg pokazany linią czerwoną dla przypadku, gdy w komórce zapisana była jedynka, linią niebieską - gdy zapisane było zero

Każdy akt odczytu z komórki pamięci powoduje więc zarazem odświeżenie jej zawartości. Komórki wymagają okresowego odświeżania zawartości nawet wtedy, gdy w pamięci nic się nie dzieje. Ładunek w kondensatorze C ulega bowiem powolnemu zanikowi w wyniku istnienia prądów upływu (prąd podprogowy tranzystora komórki, prąd wsteczny złącza p-n drenu). W celu odświeżania wystarczy okresowo odczytywać wszystkie komórki.

Jak widać, działanie pamięci dynamicznej przy odczycie jest dość skomplikowane. Z tego powodu pamięci dynamiczne działają wolniej niż statyczne. Ich wielką zaletą jest bardzo mała powierzchnia zajmowana przez pojedynczą komórkę, zawierającą tylko jeden tranzystor i jeden kondensator. Ta mała powierzchnia umożliwia produkcję pamięci o wielkiej pojemności i niewygórowanej cenie. W roli kondensatora C w komórce pamięci nie wystarczają pojemności pasożytnicze. Chodzi bowiem o to, by ładunek zgromadzony w tej pojemności był możliwie duży, tak aby zmiana napięcia na linii bitu przy odczycie była dostatecznie duża i umożliwiała bezbłędne zadziałanie wzmacniacza odczytu mimo zjawiska podziału ładunku (patrz punkt 3.1.1). Tę możliwie dużą pojemność C należy jednak zmieścić na możliwie jak najmniejszej powierzchni. Do tego celu opracowano specjalne technologie wytwarzania układów pamięci, w których kondensatory komórek pamięci są wykonywane w postaci głębokich wnęk wytrawionych w krzemie, których zbocza są pokryte bardzo cienkim dielektrykiem (SiO2), a wnętrze wypełnione polikrzemem (stosowane są też inne sposoby wytwarzania tych kondensatorów). Przekrój przez komórkę z takim kondensatorem pokazuje rysunek 4-6. Okładki kondensatora tworzą: polikrzem wypełniający wnękę oraz obszar domieszkowany typu n w podłożu.
 

Rysunek 4 6. Przekrój przez komórkę pamięci dynamicznej

Nawet stosując taki specjalny kondensator jako element pamięciowy nie unikamy omawianego wyżej problemu podziału ładunku. Sztuka projektowania i produkcji pamięci dynamicznych polega nie tylko na tym, by uzyskać jak największą wartość pojemności komórki C, ale także na tym, by pojemność pasożytnicza linii bitu Cb była możliwie mała. Ogranicza to liczbę komórek pamięci, jaką można dołączyć do jednej linii bitu. Z tego powodu w pamięciach dynamicznych regułą jest stosowanie podziału matrycy pamięci na wiele stosunkowo niedużych bloków. O takiej organizacji pamięci była już mowa wcześniej.

Operacje głębokiego trawienia wnęk, utleniania ich zboczy, wypełniania ich polikrzemem nie są typowe dla zwykłej technologii wytwarzania układów CMOS. Pamięci są produkowane na specjalnie do tego przeznaczonych liniach produkcyjnych. Dlatego w zwykłych układach CMOS pamięci dynamiczne nie są spotykane. Produkuje się je jako samodzielne układy scalone. Toteż warto wiedzieć, jak działają, ale ich projektowania nie będziemy omawiać.