книги / Микроэлектроника. Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы

РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ МАТРИЦЫ

§4.1. Матрицы с электрически репрограммируемыми элементами на основе МОП-структур

Внастоящее время известны элементы памяти, сохра­ няющие информацию при отключении напряжения пита­ ния, что позволяет создавать ПЛМ со стиранием и переза­

писью реализуемых функций — репрограммируемые логи­ ческие матрицы (РПЛМ).

Значительное распространение в РПЛМ получили МОПтранзисторы с плавающим затвором и лавинной инжекцией (рис. 4.1). Структура такого транзистора аналогична обыч­ ному МОП-транзистору с поликремниевым затвором, ко­ торый гальванически не связан с остальной схемой. В ис­

ся достаточно большое напряжение (около 50 В) в течение примерно 5 мс. Это вызывает лавинный пробой истокового (стокового) /?-/г-перехода и инжекцию электронов в поликремниевый затвор. Заряд, примерно равный 107 Кл/см2, захваченный затвором (см. рис. 4.1, б), индуцирует канал, соединяющий исток и сток, и может сохраняться длитель­ ное время (10— 100 лет) после снятия напряжения, так как затвор окружен оксидным слоем, имеющим очень малую проводимость.

Стирание информации осуществляется при облучении ультрафиолетовыми лучами с энергией, достаточной для выбивания электронов из затвора и переноса их в подложку (рис. 4.2). Стирание можно также осуществить, используя ионизирующее, например рентгеновское излучение, уро­ вень которого составляет примерно 5 104 рад.

Считывание информации из матрицы выполняется при подаче напряжения питания 5—15 В и контроле тока, про­ текающего через транзистор.

Для организации выборки определенных ячеек в мат­ рицу (см. рис. 4.1, в) последовательно с транзисторами с пла­ вающими затворами включают обычные МОП-транзисторы.

Недостатком рассмотренных ПЛМ является невозмож­ ность выборочной перезаписи информации. Введение в МОП транзистор с лавинной инжекцией дополнительного затво

Рис. 4.3. ПЛМ на л-МОП-транзисторах с лавинной инжекцией и дополнительным затвором:

SlOj; S — сапфировая подложка

ра позволяет осуществить выборочную перезапись и, исклю­ чить из матрицы транзистор выборки (рис. 4.3). Запись осуществляется, как и в ПЛМ на транзисторах с плаваю­ щим затвором; положительное напряжение на управляю­ щем затворе способствует развитию лавинообразного про­ цесса, поэтому сокращается время записи информации. Стирание осуществляется при большом (60—90 В) напря­ жении на управляющем затворе.

Исследования показали, что МОП-транзисторы с лавин­ ной инжекцией и дополнительным затвором сохраняют записанную информацию при температуре + 150 °С более четырех лет и выдерживают более 30 000 циклов стирания/ записи без существенной деградации характеристик.

§4.2. Репрограммируемые логические матрицы на основе МНОП-структур

Использование многослойного подзатворного диэлектри­ ка позволяет создавать элементы памяти, сохраняющие свое состояние при отключении напряжения питания и пригод­ ные для использования в РГ1ЛМ.

Транзистор со структурой металл-нитрид-оксид-полу- проводник (МНОП) показан на рис. 4.4. Тонкий оксид, ко­ торый в МНОП-транзисторах называют также туннельным, имеет толщину всего около 2—4 нм; слой нитрида кремния имеет толщину 40—70 нм. Используемые в схемах управле­ ния типовые МОП-транзисторы имеют толщину подзатвор­ ного оксида 50—80 нм.

В исходном состоянии МНОП-транзисторы закрыты и имеют высокое сопротивление между стоком и истоком. Для записи информации на затвор подается положительное на­ пряжение, превышающее критическое значение (обычно 20—30 В). Под действием этого напряжения возникает тун­ нельный ток электронов сквозь тонкий слой оксида. На гра­ нице раздела оксид — нитрид кремния накапливается за­ ряд электронов, захваченных ловушками в запрещенной зоне. Изолирующий оксид предотвращает утечку заряда после снятия с затвора импульса напряжения. Захваченные электроны приводят к образованию инверсного канала меж­ ду стоком и истоком или к существенному снижению по­ рогового напряжения (см. рис. 4.4, б). Время записи сос­ тавляет 50—500 мкс. Чтобы снятьнакопленный заряд (стереть информацию), на затвор подается отрицательное напряжение 20—30 В. Время стирания составляет около 50 мс.

элемент

Рис. 4.6. Структура запоминающего л-МНОП-транзистора и л-МОП- транэистора выборки:

1 — туннельный оксид; 2 — нитрид кремния; 3 — алюминий; 4 — диоксид кремния; S — поликремниевый затвор

Считывают информацию, прикладывая к затвору напря­ жение, значение которого находится между пороговыми на­ пряжениями низко- и высокоомного состояния. Напряжение считывания составляет обычно около 5 В, а время считы­ вания — 100 нс. Время хранения информации в МНОПтранзисторах достигает 10 лет. Для матриц на основе МНОП-транзисторов характерно очень большое допустимое число циклов запись/стирание, существенно большее, чем для матриц на МОП-транзисторах с плавающим затвором. На рис. 4.5 показан фрагмент ПЛМ на основе запоминаю­ щих МНОП-транзисторов и обычных управляющих и на­ грузочных МОП-транзисторов.

Более высокое быстродействие по сравнению с /7-МНОП- транзисторами позволяют получить л-МНОП-транзисторы, формируемые в изолированных областях р-типа (рис. 4.6).

§4.3. Матричные микросхемы

спрограммируемой архитектурой

Наряду с БИС с реконструируемыми соединениями раз­ вивается направление, связанное с созданием БИС и СБИС с программируемой архитектурой и выполняемых в виде субсистем на пластинах. Перестройка архитектуры субсис­ темы осуществляется с помощью встроенных элементов ком­ мутации с памятью. Причем элементы памяти могут выпол­ няться как на типовых МОПили КМОП-транзисторах,

Рис. 4.8. Варианты размещения шин питания на пластине

Переключение информационных и управляющих шин, шин питания должно выполняться коммутаторами, вхо­ дящими в состав каждого блока матрицы. Отключение неисправных блоков и создание необходимых для реше­ ния определенной задачи информационных каналов (на­ стройка микросистемы) могут осуществляться под воз­ действием информационных сигналов и сигналов управ­ ления, передаваемых к каждому блоку от соседних в мат­ рице блоков или с внешних контактных площадок суб­ системы. Если для настройки внутренних блоков микро­ системы используются сигналы, поступающие только от соседних блоков (внешние блоки могут получать сигна­ лы с внешних контактных площадок, то на устройство управления блоками возлагаются функции диагностики. При подключении напряжения источников питания необ­ ходимо каждый раз выполнять настройку.

Для простых алгоритмов функционирования основных блоков программы диагностических тестов и настройки могут быть записаны в постоянные запоминающие уст­ ройства блоков распределенной памяти. Такие микроси­ стемы обладают свойством самодиагностики и могут са­

Применение для герметизации матричных микросхем безвыводных керамических и пластмассовых носителей кристаллов позволяет существенно повысить плотность компоновки, снизить стоимость аппаратуры, автоматизи­ ровать сборочные процессы. Для изготовления носителей кристаллов используют керамику на основе оксида алю­ миния и оксида бериллия. Носитель кристалла представ­ ляет собой обычно квадратное керамическое (пластмас­ совое) основание с выемкой для установки кристалла, которая закрывается металлической или керамической (пластмассовой) крышкой.

Для защиты кристаллов матричных БИС и СБИС нужны носители с большим числом внешних контактов (до 200—300). В таких носителях контакты могут распо­ лагаться по периферии в несколько рядов или в виде матрицы по всей поверхности основания.

Важной проблемой является обеспечение приемлемой температуры кристаллов при повышенных мощностях рассеяния. Носители кристаллов на основе оксида бе­