 |
Halbleiter-Festwertspeicher
Festwertspeicher (ROM, Read Only Memory, Nur-Lese-Speicher) sind
ebenfalls Speicher mit wahlfreiem Zugriff. Im normalen Betrieb können sie nur gelesen werden, die gespeicherte Info ist nicht flüchtig - geht also beim Abschalten der Versorgungsspannung nicht verloren. Sie besitzen einen einfacheren Aufbau als Schreib-Lese-Speicher und haben daher eine hohe Integrationsdichte. Die Bausteine sind i.a. wortorganisiert (meist 8-Bit-Wort = Byte).Man unterscheidet (grob) in: - ROM: Informationen werden beim Herstellungsprozess eingegeben
 maskenprogrammiertes ROM (ROM = Read Only Memory) - PROM: Einmal programmierbares ROM. Die Info kann vom Anwender mittels eines Programmiergeräts eingeschrieben werden. (PROM = Programmable ROM)
- EPROM: Vom Anwender programmierbares PROM, dessen Inhalt auch wieder gelöschtwerden kann (mit Ultraviolett-Licht außerhalb des DVS). (EPROM = Erasable PROM)
- EEPROM: Vom Anwender programmierbares PROM, dessen Inhalt elektrisch wieder gelöscht werden kann (innerhalb des DVS). (EEPROM = Electrically Erasable PROM)
Speicherelement ist jeder Kreuzungspunkt zwischen Zeilen- und Spaltenleitung der Speichermatrix. Der jeweils gespeicherte Binärwert wird durch das Vorhandensein oder Fehlen einer leitenden Verbindung zwischen Zeilen- und Spaltenleitung bestimmt. Damit die einzelnen Zeilenleitungen entkoppelt sind, muss die Verbindung unidirektional sein.
Maskenprogrammierbares ROM
bipolar:
Integrierte Brücken bei Diodenmatrix; Spaltenleitungen
über Widerstand auf Masse.
MOS:
Dicke der Gate-Oxidschicht; bei normaler Dicke kann der FET
leiten ("0"), andernfalls reicht das 1-Potential auf der WL nicht
aus, den FET durchzuschalten "1".
bipolares PROM (anwenderprogrammierbar)
Im unprogrammierten Zustand sind alle Kreuzungspunkte entweder
leitend oder unterbrochen (Abhängig vom
Herstellungsverfahren). Durch die Programmierung (= Einschreiben
der Daten) wird die Verbindung (je nach Herstellungsverfahren)
unterbrochen oder hergestellt der binäre Wert, der
dem durch die Herstellung vorhandenen nicht entspricht, wird
programmiert.
Programmierung mit Ausbrennwiderständen
Der Ausbrennwiderstand ("fusible link") liegt an der Substrat-Oberfläche; er
hat die Funktion einer Schmelzsicherung (z. B. Titan-Wolfram,
Chrom-Nickel, Polysilizium). Das
Durchbrennen geschieht mittels eines hohen Programmierstroms, z. B.
durch Adressieren der gewünschten Zelle und Anlegen einer
Spannung an die Ausgänge des Bausteins. Programmierzeit ca. 1 ms/Bit.
Programmierung durch kurzgeschlossene Sperrschicht
Das Koppelelement ist ein npn-Transistor mit nicht
angeschlossener Basis ("junction fuse"). Durch Anlegen einer
hohen Spannung erfolgt ein Durchbruch der BE-Diode - es bleibt eine
Diodenstrecke übrig (Basis an Spaltenleitung). Die
Adressierung erfolgt im Baustein durch 0-Potential an den
Zeilenleitungen.
Programmierzyklus (Beispiel): Chip Select auf 1-Pegel, dann
20 V an Datenausgänge anlegen und Chip Select auf 15 V (5 ms).
Programmierzeit: ca. 0,2 ms Bit
NMOS-PROM
EPROM ohne Löschmöglichkeit EPROM, das nur ein
einziges Mal programmiert werden kann production EPROM, one
time programmable EPROM.
EPROM
Das Koppelungselement ist eine Ladung, die auf einem isolierten
Gate eines FET gespeichert wird ("floating gate"). Das
Speicherelement besteht i.a. aus einem n-Kanal-MOSFET mit einem 2-
Lagen-Silizium-Gate (zwischen Kanal und eigentlichem Gate befindet
sich noch ein isolierter Gate (FAMOS - FET: floating gate avalanche
injection FET). Source und Substrat auf Masse.
unprogrammiert:
keine Ladung auf isoliertem Gate, FET leitet, 0-Potential auf SL
wird durch Ausgangsverstärker invertiert ausgegeben.
programmiert:
negative Ladung auf isoliertem Gate, durch Ladungsverschiebung
leitet FET nicht, 1-Potential auf SL, 0-Potential am Ausgang.
Bei der Programmierung wird
über die Zeilen- und Spaltenleitung eine hohe Spannung
an Gate und Drain angelegt (Auswahl der Zelle). Source und Substrat
liegen auf Massepegel. Infolge des starken elektrischen Feldes
erfolgt eine Injektion von Elektronen auf das isolierte Gate
(Lawinendurchbruch, avalanche effect). Die Ladung bleibt auch nach
dem Abschalten der Versorgungsspannung erhalten. Der Ladungsverlust
beträgt schätzungsweise 30% in 10 Jahren. Die negative
Ladung auf dem isolierten Gate verschiebt die Schwellenspannung des
FET und verhindert ein Durchschalten.
Zur Programmierung wird eine höhere Spannung (12 - 25 V) an
den Baustein (Vpp) angelegt. Die Auswahl des zu programmierenden
Wortes erfolgt genauso, wie beim Lesezugriff. Die zu
programmierenden Daten werden an die Ausgangspins angelegt
(TTL-Pegel). Mit einem 0-Impuls von 50 ms Dauer am Programmierpin
wird der Wert programmiert. Moderne EPROMS verwenden einen
"intelligenten" Algorithmus: es werden solange Impulse
von 1 ms Dauer gegeben, bis die Daten beim Prüflesen stimmen;
danach erfolgen noch 5 - 10 weitere "Sicherheits-Impulse".
Das Löschen der Gate-Ladung erfolgt durch Bestrahlung
des Chips mit UV-Licht (15 - 20 min) durch ein Fenster aus
Quarzglas, wodurch die Isolierschicht ionisiert wird und so die
"gespeicherten" Elektronen entweichen.
EEPROM
Das Speicherprinzip ist ähnlich wie beim EPROM (auch
"floating gate"), jedoch das Programmierverfahren ist
unterschiedlich. Statt des Lawinen-Durchbruchs wird der
Tunneleffekt verwendet. "Poly-Poly-Silizium" - Die
Elektronen "tunneln" durch eine sehr dünne
Isolationsschicht aus Siliziumoxid (Fowler-Nordheim-Tunnelung). Es
ist eine sehr hohe Feldstärke erforderlich, daher muss die
Schicht sehr dünn sein (ca. 150 Å). Durch eine
Modifizierung (gewellte Oberfläche) kann auch mit dickeren
Schichten gearbeitet werden (ca. 800 Å).
unprogrammiert:
Der FET leitet (bei Auswahl über ZL);
1-Potential auf der Spaltenleitung.
programmiert:
Negative Ladung auf isoliertem Gate, durch Ladungsverschiebung leitet FET
nicht, 0-Potential auf SL.
Zur Programmierung Gate (ZL) und Source (SL) auf 1-Potential legen. Drain liegt
auf 0-Potential. Die Elektronen "tunneln" auf das Floating Gate.
Programmierzeit: 5 - 10 ms/Byte.
Zum Löschen Gate (ZL) auf 1-Potential und Source (SL) auf 0-Potential legen.
Drain liegt dann auf 0-Potential. Die Elektronen "tunneln"
vom Floating Gate nach Drain und der FET leitet wieder.
EEPROMS können in eingebautem Zustand (in der Schaltung)
programmiert werden, da keine zusätzliche Programmierspannung
erforderlich ist. Die benötigte hohe Programmierspannung wird
während des Programmierens auf dem Chip selbst erzeugt. Auch
Adress- und Datenregister sind auf dem Chip integriert. Nach dem
Auslösen des Programmiervorgangs (=Schreibzyklus) kann die CPU
sich anderen Aufgaben widmen (manche EEPROMs haben einen speziellen
READY/BUSY-Pin zur Anzeige des internen Programmiervorgangs; andere
liefern beim Lesen invertierte Daten solange die Programmierung
läuft).
EEPROMs verhalten sich somit wie RAMs mit einem sehr langen
Schreibzyklus (5 - 10 ms), die aber die gespeicherte Info nach dem
Abschalten der Versorgung behalten (Lesezyklus 150 - 450 ns). Die
Zahl der Schreibzyklen ist begrenzt (10.000 - 100.000 mal). Manche
EEPROMS bieten die Möglichkeit, den gesamten Chip auf einmal
zu löschen ("chip erase") Flash-Speicher
(Intel).
|
|
|
DIENSTE
