Сегнетоэлектрические ЗУПВ, Одним из существенных недостатков классических полупроводниковых статических или динамических ЗУПВ является то обстоятельство, что при отключении питания информация, хранимая в них, стирается. Энергонезависимость ЗУПВ в ряде случаев достигается подключением к ним резервного батарейного источника питания, служащего источником энергии для ЗУПВ в периоды отключения основного питания.

Другой путь решения проблемы энергонезависимостй ЗУПВ - использование в схемах запоминающих элементов конденсаторов, в которых в качестве диэлектрика служат кристаллические вещества, обладающие способностью сохранять электрическую поляризацию после снятия электрического поля, под действием которого эта поляризация возникла. При смене направления напряженности электрического поля на противоположное меняется направление электрической поляризации кристаллического вещества диэлектрика конденсатора. Это явление называется сегнето-электрическим эффектом. Конденсатор с таким диэлектриком имеет два устойчивых состояния и два различных пороговых напряжения перехода из одного состояния в другое и наоборот.

Такой конденсатор представляет собой по сути энергонезависимую ячейку памяти. ЗЭ на базе сегнетоконденсатора - это возможный и наиболее вероятный конкурент традиционных стираемых и электрически стираемых программируемых постоянных запоминающих устройств. В настоящее время технология сегнето-электрических ЗУПВ только начинает создаваться, но уже получены двумя зарубежными фирмами рабочие технологии изготовления энергонезависимых конденсаторов с использованием кристаллического вещества, обладающего сегнетоэлектрическими свойствами. Эти кристаллические вещества представляют собой тонкую пленку цирконата-титаната - свинца [30]. Пленка сегнето-диэлектрика наносится между двумя проводящими слоями непосредственно на поверхность активного прибора, например МДП-прибора, в результате чего получается трехмерная структура, надстроенная вертикально поверх обычной планарной технологии.

Керамика цирконат-титанат свинца (PZT-керамика) обладает хорошими физическими и электрическими свойствами. У нее высокое удельное сопротивление, чрезвычайно высокая диэлектрическая проницаемость, равная 1200. Она термически и химически стойка. Диапазон ее рабочих температур от -180 до --350°С. И наконец, PZT-керамика отличается высокой радиационной стойкостью.

Существенный недостаток современных сегнетоэлектриков - ограничение числа циклов перезарядки величиной 10", что недостаточно для построения энергонезависимого ЗУПВ, в запоминающем элементе которого сегнетодиэлектрик перезаряжается, при каждой новой записи информации. Специалисты считают, что в перспективе возможно получение материалов на основе PZT-ке-

рамикй устраняющих проблему усталости сегнетоэлектриков, и создание на их основе сегнетоэлектрического ЗУПВ с однотран-зисторной ячейкой памяти (рис. 6.17).

В настоящее время в опытных образцах сегнетоэлектрических ЗУПВ проблема усталости сегнетоэлектриков решается путем использования свойств энергонезависимости сегнетоэлектриков только в периоды отключения питания. Число таких ситуаций в течение срока службы прибора много меньше возможного числа циклов перезаряда.В частности,

опытные образцы сегнетоэлектрических ЗУПВ используют запоминающие элементы, по своей структуре почти идентичные традиционной шеститранзисторной ячейке статического ЗУПВ, рис. 6.18.

Адресная-шина

Комплементарные

-Разрядная шина

Общаа шина импульсного Возбуждения

Рис. 6.17. Схема одиотранзнстор-ного ЗЭ сегнетоэлектрического ЗУПВ

iJ-j

Адресная шина

Управление

Общая шина импупьсною Возбуждения

Рнс. 6,18. Схема ЗЭ сегнетоэ.чектрическо-го ЗУПВ

МДП транзисторы -Ть образуют запоминающий триггер, транзисторы Т\ и 7б выполняют роль ключей, подсоединяющих плечи запоминающего триггера к разрядным шинам РШ"0" и РШ"1". По словарной шине подается импульсный сигнал управления ключами Ti и Те. Отличие от нее лишь в двух сегнетоэлектрических конденсаторах Zi и Z2, соединенных с плечами триггера ЗЭ через, управляющие ключи Tj, Ts- Эти конденсаторы и представляют собой энергонезависимые элементы памяти. В рабочем режиме, когда напряжение питания [/ип поступает на элемент от внешнего источника энергии, указанные конденсаторы отключены от схемы триггера двумя управляемыми ключами Tj, Ts, полезная информация хранится в триггере {T2-v-T5).

Процедуры записи и считывания информации в ЗЭ через разрядные шины с выборкой по словарной шине аналогичны процедурам работы статического 6-транзисторного КМДП ЗЭ, рассмотренного ранее.

При аварийном или штатном выключении внешнего питания.

прежде чем напряжение f/ип упадет ниже нормы, открываются по сигналу управления ключи Г? и Тв. В результате сегнетоэлектрические конденсаторы подключаются к плечам триггера ЗЭ и поляризуются в соответствии с его предшествующим состоянием. Время, необходимое для поляризации конденсаторов, составляет от 10 до 20 НС, что намного меньше времени разрушения состояния триггера при спаде напряжения питания. При отсутствии питания полезная информация запоминается в двух сегнетоэлектрических конденсаторах, имеющих противоположную поляризацию. После поляризации конденсаторы сохраняют свое состояние практически неограниченно долго.

Восстановление информации в запоминающем триггере и возврат ЗЭ в активный режим при включении питания происходят следующим образом. Сначала на управляющие затворы ключей Тг и Тв подается сигнал, обеспечивающий подключение сегнетоэлектрических конденсаторов Zi и Z2 к плечам триггера; при этом ключи Ti и Гб закрыты. Конденсаторы создают на плечах триггера разность потенциалов, соответствующую состоянию триггера перед выключением питания. Когда напряжение питания достигает номинального значения, в триггере запоминается достоверная информация, предварительно хранимая на конденсаторах Zi и Z2.

После этого, по сигналу управления конденсаторы Zi и Z2 отключаются от триггера ключами Т? и Тв. Далее возможно обращение к ЗЭ по чтению и записи чере разрядные шины РШ«0» и РШ«:\» по сигналу адресной выборки.

Применение сегнетоэлектрических ЗУПВ существенно сокраща-. ет число различных типов ЗУ, используемых в специальных приложениях. Например, в вычислительных системах сегнетоэлектрические ЗУПВ могут со временем заменять статические ЗУПВ в кэш-памяти, динамические ЗУПВ - в оперативной памяти, ППЗУ и СППЗУ - в справочных таблицах.

§ 6.3. ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ постоянных

ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения не изменяющейся во времени информации и работают лишь в режиме ее считывания. Чаще всего ПЗУ используются для представления в ЭВМ констант, микрокоманд, команд программ, сохраняющихся и после отключения питания. ПЗУ могут быть емкостными, индуктивными, трансформаторными, диодными, транзисторными, ферритовыми, оптическими, на сопротивлениях, на магнитных пленках (см. [31, 32]), полупроводниковыми на диодных матрицах, на матрицах многоэмиттерных и транзисторах МДП-типа.

В полупроводниковых программируемых постоянных запоминающих устройствах (ППЗУ) запоминающие элементы образуют-