Программирование масочного ПЗУ производится на заводе - изготовителе микросхем в процессе последнего этапа изготовления микросхемы - металлизации. Масочные ПЗУ широко применяются при крупносерийном производстве, т. к. являются самым дешевым видом ПЗУ. Однако использование подобных ПЗУ очень неудобно для мелко- и среднесерийного производства, не говоря уже о стадии разработки устройства, когда требуется многократная запись промежуточных вариантов программы. Для подобных вариантов применения были разработаны микросхемы, которые можно однократно программировать не на заводе - изготовителе микросхем, а в специальных устройствах - программаторах. В этих микросхемах ПЗУ постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. Так как внутренняя схема такой микросхемы такая же, как у масочного ПЗУ, то для иллюстрации внутреннего устройства этой схемы можно воспользоваться рис. 3.5, предполагая при этом, что во всех точках пересечения вертикальных и горизонтальных проводников находятся плавкие поликремниевые перемычки.
При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подается повышенное напряжение или низкий потенциал. При этом если на выход микросхемы подается повышенное напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет, и она останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы в режиме программирования подать низкий уровень напряжения (присоединить к общему проводу), то через перемычку будет протекать ток, который испарит ее, и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль.
Микросхемы, работающие по такому принципу, называются (однократно) программируемыми ПЗУ (ППЗУ) и изображаются на схемах в виде условного графического обозначения, показанного на рис. 3.6. Надпись PROM в центральной части микросхемы является сокращением от английских слов programmable read-only memory (программируемая память, доступная только для чтения). В качестве примера таких ПЗУ можно назвать отечественные микросхемы 155РЕЗ, 556РТ4, 556РТ8.
Рис. 3.6.Условное графическое обозначение однократно программируемого постоянного запоминающего устройства
Однократно программируемые ПЗУ оказались очень удобными при мелко- и среднесерийном производстве, однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ невозможно использовать повторно, поэтому при необходимости изменить содержимое памяти, записанное ППЗУ приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, содержимое которого могло бы стираться и программироваться многократно.
Примером такого устройства является ПЗУ с ультрафиолетовым или электрическим стиранием, которое строится на основе матрицы запоминающих элементов, внутреннее устройство одного из которых приведено на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Запоминающий элемент ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием
Ячейка представляет собой МОП-транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он оказывается окруженным оксидом кремния - диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. Из-за того, что затвор со всех сторон окружен диэлектриком, он как бы плавает внутри диэлектрика, поэтому его называют плавающим затвором.
В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании микросхемы на программирующий электрод, находящийся над плавающим затвором, подается высокое напряжение и в последнем за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения на плавающем затворе индуцированный заряд сохраняется и, следовательно, транзистор остается в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе может храниться десятки лет.
Структурная схема постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственное отличие - это использование описанной выше ячейки вместо плавкой поликремниевой перемычки. Такой вид ПЗУ в отечественной литературе получил название "репрограммируемые ПЗУ" (РПЗУ).
Стирание ранее записанной информации в репрограммируемых ПЗУ осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того чтобы оно могло беспрепятственно воздействовать на полупроводниковый кристалл, в корпус микросхемы РПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла. При облучении микросхемы изолирующие свойства оксида кремния теряются, накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника, и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы колеблется в пределах 10–30 минут.
Количество циклов записи-стирания микросхем РПЗУ составляет от 10 до 100 раз, после чего вследствие разрушающего действия ультрафиолетового излучения микросхема выходит из строя. В качестве примера таких микросхем можно назвать микросхемы 573-й серии российского производства, микросхемы серий 27сХХХ зарубежного производства.
В этих микросхемах чаще всего хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. Репрограммируемые ПЗУ изображаются на схемах в виде условного графического обозначения, показанного на рис. 3.8.
Рис. 3.8.Условное графическое обозначение репрограммируемого постоянного запоминающего устройства
Надпись "EPROM" в центральной части микросхемы является сокращением от английских слов erasable programmable read-only memory (стираемая программируемая память, доступная только для чтения).
Из-за дороговизны корпуса с кварцевым окошком, а также вследствие такого недостатка, как сравнительно малое количество циклов записи/стирания, начали поиск способов стирания информации из РПЗУ электрическим потенциалом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В них используются такие же запоминающие ячейки, как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи/стирания для этих микросхем достигает 1 млн раз.
Время стирания ячейки памяти в таких микросхемах уменьшается до 10 мс. В настоящее время наметилось два направления развития микросхем РПЗУ:
1. ЭСРПЗУ - электрически стираемые ПЗУ.
2. Флэш-ПЗУ.
Из-за сложности внутренней схемы управления запоминающими элементами электрически стираемые ПЗУ дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи/стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ - хранение данных, которые не должны разрушаться при выключении питания.
К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РРЗ и зарубежные микросхемы серии 28сХХ. Электрически стираемые ПЗУ изображаются на схемах при помощи условного графического обозначения, показанного на рис. 3.9. Надпись "EEPROM" в среднем поле расшифровывается как electrically erasable programmable read-only memory - электрически стираемая программируемая память, доступная только для чтения.
Рис. 3.9.Условное графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства
В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСРПЗУ за счет сокращения количества внешних выводов микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы в виде последовательного кода. При этом используются два вида последовательных интерфейсов: SPI и I2C (микросхемы серий 93сХХ и 24сХХ соответственно). Зарубежной серии 24сХХ соответствует отечественная серия микросхем 558РРх.
Микросхемы флэш-ПЗУ отличаются от ЭСРПЗУ тем, что производится стирание не каждой ячейки отдельно, а всей запоминающей матрицы, как это делалось в РПЗУ, или ее части (блока). Условное графическое обозначение FLASH-ПЗУ на схемах приведено на рис. 3.10.