Halbleiterspeicher

Elektrizitätslehre und Elektronik
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Halbleiterspeicher
Ein Halbleiterspeicher ist ein Datenspeicher, der aus einem Halbleiter besteht, in dem mittels der
Halbleitertechnologie integrierte Schaltkreise realisiert werden. Die Daten werden in Form von binären
elektronischen Schaltzuständen in den integrierten Schaltungen gespeichert.
1 Speicherzelle
Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichers von logischen
Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen
Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren (das heißt bei
einem Zugriff les- bzw. schreibbaren) Einheit, einem sogenannten Wort oder Datenwort, das aus n Bit
besteht (n ≥ 1).
Ein FlipFlop als Beispiel eines 1-Bit Speicherelements besteht aus zwei Transistoren, die als bistabile
Kippstufe geschaltet sind.
R
Q
≥1
≥1
S
!Q
S
R
Qn+1
0
0
Qn
0
1
0
1
0
1
1
1
-
Abbildung 1 Schema und Wahrheitstabelle eines RS-FlipFlops
Personal Computer arbeiten heutzutage mit einer Wortlänge (auch „Wortbreite“ genannt) von 32 oder 64
Bit. Früher waren Speicherzellen auch 4 Bit (Halbbyte) (erste Taschenrechner) oder 8 Bit (erste PCs)
groß. Für einfache Steuerungen werden auch heute 8 Bit große Speicherzellen verwendet.
Bei früheren Computern waren auch Wortbreite von 6 oder 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 bzw. 128
speicherbaren Zeichen eine alphanumerische Bearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren
jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt, sondern als Lochkarten. Die Hollerith-Lochkarte
hatte eine Wortbreite von 12 Bit.
Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. In nichtflüchtigen
Speicherzellen bleibt die Information auf Dauer erhalten, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen
wird. Bei flüchtigen Speicherzellen geht die Information in solch einem Fall verloren.
2 Random Access Memory RAM
Ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff, abgekürzt RAM, ist ein Speicher, der besonders bei Computern als
Arbeitsspeicher Verwendung findet. RAMs werden als integrierte Schaltkreise hauptsächlich in
Silizium-Technologie realisiert. RAM wird in allen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt.
Wahlfrei bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Speicherzelle über ihre Speicheradresse direkt
angesprochen werden kann, der Speicher also nicht sequentiell oder in Blöcken ausgelesen werden muss
(bei großen Speicherbausteinen erfolgt die Adressierung jedoch nicht über die einzelnen Zellen, sondern
über ein Wort, dessen Breite von der Speicherarchitektur abhängt).
Die Speicherzellen werden in einer 2Row×2Column-Matrix angeordnet (siehe Abbildung 2). Über
Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen.
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Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltendekodierer notwendig. Dadurch ist ein direkter Zugriff auf
beliebige Speicherzellen möglich.
Abbildung 2
Wahlfreier Zugriff auf einzelne Speicherzellen
Das üblicherweise in Computern eingesetzte RAM ist 'flüchtig' (auch: 'volatil'), das heißt, die
gespeicherten Daten gehen nach Abschaltung der Stromzufuhr verloren.
Die flüchtigen RAMs teilen sich in:
•
•
Statisches RAM oder SRAM
Dynamisches RAM oder DRAM
2.1 SRAM
Statisches RAM (engl. Static Random Access Memory, abgekürzt SRAM) bezeichnet einen Typ von
volatilen (flüchtigen) Speicherbausteinen für elektronische Geräte wie z.B. Computer. Im Gegensatz zu
DRAMs müssen, um die Daten zu erhalten, außer der Betriebsspannung keine Signale zum Auffrischen
erzeugt werden. Die Daten bleiben also auch bei statischer Ansteuerung erhalten, ohne dass die
Steuerleitungen ihren Zustand ändern. Technisch wird dies mit FlipFlops realisiert.
SRAM haben sehr geringe Zugriffszeiten und werden deshalb oft als Cache-Speicher mit direkter CPUAnbindung verwendet. Die Daten werden kurz bevor sie benötigt werden in den schnellen SRAM-Cache
eingelesen, und wenn die CPU die entsprechenden Speicheradressen abruft, sofort aus dem Cache
gelesen. Aufgrund ihrer einfachen Ansteuerung sind sie auch die bevorzugte Speichertechnologie für
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embedded memory (= im Chip integrierter Speicher). Da aktuelle Prozessoren immer schneller werden,
wird der Cache immer wichtiger. Deshalb wird inzwischen ein zweistufiges und zum Teil schon
dreistufiges System von Cachespeicher (L1, L2, L3) verwendet.
Der Nachteil im Vergleich zu DRAMs ist der höhere Flächenbedarf auf dem Wafer bei gleicher
Speicherkapazität und der damit auch höhere Preis.
2.2 DRAM
Der Aufbau einer einzelnen DRAM-Speicherzelle ist sehr einfach, sie besteht nur aus einem
Kondensator und einem Transistor. Heute verwendet man einen Feldeffekttransistor. Seine geringe
Eigenkapazität bildet dabei den Kondensator. Die Information wird als elektrische Ladung im
Kondensator gespeichert. Jede Speicherzelle speichert ein Bit. Der Transistor - auch Auswahltransistor
genannt - dient als Schalter zum Lesen und Schreiben der Information. Jeweils mehrere tausend
Speicherzellen sind in einer Matrixanordnung verschaltet. Durch ihren sehr einfachen Aufbau brauchen
die Speicherzellen nur sehr wenig Chipfläche. Die konstruktionsbedingte Größe einer Speicherzelle wird
gern als das Vielfache der Quadratfläche F² der kleinsten fertigbaren Strukturlänge („minimum
Featuresize“ oder abgekürzt F) angegeben: eine DRAM-Zelle benötigt heute 6 bis 10 F², während eine
SRAM-Zelle mehr als 100 F² benötigt. Daher kann ein DRAM bei gegebener Chipgröße eine wesentlich
größere Zahl von Bits speichern. Daraus resultieren weitaus niedrigere Herstellungskosten pro Bit als
beim SRAM. Unter den heute üblichen elektronischen Speicherarten hat nur der NAND-Flash eine
kleinere Speicherzelle mit ungefähr 4,5 F² (bzw. 2,2 F² pro Bit für Multilevel-Cells).
Diesem Vorteil des DRAM gegenüber dem SRAM steht der Nachteil gegenüber, dass sich die im
Kondensator gespeicherte Ladung und damit die gespeicherte Information aufgrund von Leckströmen
mit der Zeit verflüchtigt, wenn sie nicht periodisch wieder aufgefrischt wird. Dies ist normalerweise in
Abständen von einigen Millisekunden erforderlich. Das Auffrischen des Speichers wird zeilenweise
bewerkstelligt. Dazu wird jeweils eine Speicherzeile in einem Schritt in einen auf dem Chip befindlichen
Zeilenpuffer übertragen und von dort verstärkt wieder zurück in die Speicherzeile geschrieben. Daher
rührt die Bezeichnung „dynamisch“. Bei statischen Speichern wie dem SRAM kann man demgegenüber
alle Signale anhalten, ohne dass Datenverlust eintritt. Das Auffrischen des DRAMs verbraucht außerdem
auch im Ruhezustand eine gewisse Menge von Energie. Deshalb bevorzugt man in Anwendungen, bei
denen es auf geringen Ruhestrom ankommt, das SRAM.
Die Hersteller von Speicher versuchen kontinuierlich, den Energiebedarf zu senken, um so genannte
Leckströme zu minimieren. Die Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM liegt bei 1,8 Volt, während
DDR-SDRAM noch mit 2,5 Volt versorgt wird. Bei dem im Jahre 2007 erwarteten DDR3-SDRAM soll
die Spannung auf 1,5 Volt gesenkt werden.
3 Read Only Memory ROM
wörtlich: Nur-Lese-Speicher), gelegentlich auch als Festwertspeicher bezeichnet, ist ein Speicher, der
nur lesbar und nicht flüchtig ist, das heißt: er hält seine Daten auch in stromlosem Zustand. Das
prädestiniert ihn zur Aufnahme von „fest verdrahteten“ Computerprogrammen wie z. B. dem BIOS
Basic Input Output System. Das Einschreiben von Daten in ein ROM wird als Programmierung des
Bausteins bezeichnet und ist nicht mit den Schreibzugriffen in einem Schreib-/Lesespeicher (Random
Access Memory, Festplatte) vergleichbar. Zu unterscheiden ist zwischen Bausteinen mit reversibler und
irreversibler Programmierung. ROM ermöglicht oft wie RAM einen wahlfreien Zugriff auf die Daten.
Ursprünglich wurden ROMs schon bei der Fertigung „fest verdrahtet“. Da diese Verdrahtung mit einer
„Maske“ (einer Art Filmnegativ) auf den rohen Chip direkt aufbelichtet wurde, spricht man hierbei von
einem maskenprogrammierten ROM. Da sich dieses Verfahren allerdings nur in Großfertigung rechnete,
wurde eine - ständig wachsende - Familie weiterer Speicherbausteine dieses Typs entwickelt, die auch
nach der Fertigung mit Informationen befüllt werden können.
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Inzwischen gibt es eine recht große Anzahl verschiedener Arten von ROM:
•
PROM - Programmable ROM, einmalig programmierbar
•
EPROM - Erasable PROM, d.h. löschbar mit UV-Licht
•
EEPROM - Electrically Erasable PROM
•
Flash-Speicher - auch FLASH-EEPROM
Heute werden praktisch nur noch EEPROM und FLASH-EPROM eingesetzt.
3.1 EEPROM
Ein EEPROM besteht aus einer Feldeffekt-Transistorenmatrix mit isoliertem Floating Gate, in welcher
jeder Transistor ein Bit repräsentiert. Beim Programmiervorgang wird auf dem Gate eine Ladung
gespeichert (der Transistor sperrt). Beim Löschen wird diese Ladung wieder entfernt, indem durch einen
hohen Spannungspuls die Ladung der Sperrschicht in den Ursprungszustand versetzt wird. Dieser
Löschvorgang kann entweder durch ein Programmiergerät oder auch direkt im System erfolgen.
Abbildung 3 EEPROM
Nach dem „Brennvorgang“ des EEPROMs werden die geschriebenen Daten durch ein Bitmuster
geladener / ungeladener Transistoren repräsentiert. Diese Daten lassen sich nun beliebig oft auslesen.
Die Lesespannung liegt dabei unterhalb der Programmierspannung. Die Anzahl der möglichen
Schreibvorgänge ist allerdings begrenzt. Die Hersteller garantieren typischerweise mindestens 1.000.000
Schreibzyklen (Stand 2006). Früher war zum Programmieren eine höhere Spannung erforderlich, diese
wird inzwischen bausteinintern erzeugt.
Speichern und Lesen
Die Speicherung eines Bits innerhalb eines solchen Speicherelements erfolgt über ein Floating Gate,
dem eigentlichen Speicherelement des EEPROM’s. Es liegt zwischen dem Steuer-Gate und der SourceDrain-Strecke und ist von dieser wie auch vom Steuer-Gate jeweils mittels einer Oxid-Schicht isoliert.
Im ungeladenen Zustand des Floating Gate kann bei am Gate aufgesteuertem Transistor in der SourceDrain-Strecke (Kanal) ein Strom fließen. Werden über das Steuer-Gate durch Anlegen einer hohen
positiven (10..18 V) Spannung Elektronen auf das Floating-Gate gebracht, so kann in der Source-DrainStrecke auch bei aufgesteuertem Transistor kein Strom mehr fließen, da das negative Potential der
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Elektronen auf dem Floating Gate der Spannung am Steuer-Gate entgegen wirkt und somit den
Transistor geschlossen hält.
Der ungeladene Zustand wird wieder erreicht, indem die Elektronen durch Anlegen einer hohen
negativen Spannung über die Steuergate-Kanal-Strecke wieder aus dem Floating Gate ausgetrieben
werden.
Tunneleffekt
Der Mechanismus, der die Elektronen durch die isolierende Oxidschicht passieren lässt, wird FowlerNordheim-Tunneleffekt genannt (1928 durch Ralf H Fowler und Lothar Nordheim erstmals theoretisch
beschrieben), d. h. bei einem EEPROM handelt es sich um die Anwendung eines nur
quantenmechanisch deutbaren Effekts. Um die Elektronen leichter zum Tunneln 'hinauf' zum Floating
Gate zu veranlassen, wird oft das Verfahren CHE (channel hot electron) verwendet: die Elektronen
werden durch Anlegen einer Spannung über dem Kanal, also zwischen Drain und Source, beschleunigt
und dadurch auf ein höheres Energieniveau (daher engl. hot) gehoben, wodurch sie schon bei geringeren
Spannungen (typ. 10 V) zwischen Gate und Kanal zum Floating Gate tunneln.
3.2 Flash – EEPROM
Im Gegensatz zu „gewöhnlichem“ EEPROM-Speicher lassen sich beim Flash-EEPROM Bytes, die
kleinste adressierbare Speichereinheit, nicht einzeln löschen.
Anwendung finden Flash-Speicher überall dort, wo Informationen persistent (nichtflüchtig) auf
kleinstem Raum gespeichert werden müssen. Das Flash-EEPROM ist DER Halbleiter-Massenspeicher
der Gegenwart.
Beispiele:
•
DiskOnChip
•
USB-Sticks
•
Speicherkarten für Digitalkameras, Mobiltelefone, Handhelds, ...
•
MP3-Player
•
dauerhafte Speicherung der Firmware in vielen Geräten mit Mikrocontrollern (Eingebettete
Systeme)
•
zum selben Zweck zunehmend auch auf dem Microcontroller selbst integriert: embedded flash
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