DRAM的基本工作原理

DRAM的基本工作原理林振華內容標題導覽：｜前言｜DRAM的工作原理｜記憶單元｜感應放大器｜前言DRAM1KDRAM512MDRAM不論是記憶容量的增加、存取速度的提昇、每單位位元的成本降低等改變速度都非常快速，因此DRAM術的領先指標了。4KDRAM改用單一電晶體+電容的記憶單元結構以來基本記憶單元(MemoryCell)的結構特性並未改變太多，因此雖然目512MDRAM的基本工作原理仍然是沒有太大改變。DRAM的工作原理DRAM的結構MOSDRAM1"0"或"1"(row)與列(column)方式nm列的記憶單元所排列成的二次元陣列時可以構成n×m=N位元記憶體。當資料寫入或由記憶單元中讀取時，是將記憶單元的位址輸入行和列位址緩衝器(addressbuffer)，並利用行解碼器(rowdecoder)n條字元線(wordline)m條位元線(bitline)m位元的記憶單連接，位元線與記憶單元之mm(senseamplifier)。(columnm(I/O線)入緩衝器等線路所構成。根據以上的介紹DRAM的基本架構包括：˙排列成二次元陣列的記憶單元。˙感應放大器。˙位址緩衝器(行/列)及位址解碼器(行和列)。˙輸出預放大器、輸出主放大器和輸入緩衝器等輸出入線路。˙控制線路等。而資料的傳輸路徑則是藉由字元線、位元線、資料輸出入線(I/O線)等路徑進行傳遞。記憶單元記憶單元的基本結構4KDRAM之後，DRAMDRAM記憶單元結構，1個電晶體+164~256MDRAM仍繼續使用這種結構的記憶單元。構成一位元的記憶單元必須具有下列部份：˙儲存資料的電容˙啟動記憶單元的字元線˙由記憶單元讀寫資料的位元線1電晶體+12(a)所示，目前構成記憶單元中所用的電晶nMOS的電晶體(nMOS)cellnode)MOS電晶體又特別稱為轉移閘極(transfergate)，這種記憶單元的主要特徵為：˙因為元件和線路的數目少，所以記憶單元所佔的面積很小，可以容易地達到高集積度。˙由於記憶單元本身沒有放大功能，為了偵測位元線上的微小訊號，因此必須額外具有感應放大器。˙讀取時，儲存在電容中的電荷會消失，因此讀取之後必須進行再寫入的動作。˙儲存在電容中的電荷會因為漏電流而逐漸消失，因此必須週期性地進行再寫入(refresh)的動作。1MBDRAMtwinwellCMOS，三層多晶矽(polysilicon)1電晶體+1電容的記憶單元結構如2(b)2(c)2(b)2(c)A-A'直線的橫截面。記憶單元中，是由第一層多晶矽(polyI)cellplate、第二層多晶矽(polyⅡ)nMOS的轉移閘極，儲存的資料是以電荷的形式儲存在電容中，資料的讀寫則是藉由第三層多晶矽(polyⅢ)所形成的位元線來控制。polypolypolycellplate1/2電源電壓(Vcc/2)。2(a)DRAMDRAM70%~80%工作。圖21電晶體+1電容型的記憶單元圖2(b)平面圖(省略AI導線)記憶單元的基本動作記憶單元的基本動作可分為儲存資料、寫入資料及讀取資料三種。nMOS的水庫模型DRAMMOS電晶體和電容所構成，電晶體的主要功能就如同開關控制電荷訊號寫入電容，或是由電容中讀出，電容nMOS相當於水庫中的水，而電子的電位則相當於水位的高低。3(a)nMOS3(b)3(c)~(g)是源極(source)、閘極(gate)下方和汲極的電子電位，當源極電位(VS)和汲極電位(VD)0V5V5V端的電子位能反而較低；根據上述的水庫模型，可以將源極視為水位較高，而汲極水位較低的兩個水源。VG0V3(c)VTH，因此電子無法由源極流到汲極，就好像水(電子)被水門(閘極)截斷而無法流動。3(d)VGnMOS的臨界電壓(VTH)。因此，當閘極電壓開始增加時就如同水門開始打開讓水由高水位(源極)流到低水位(汲極)的情形一樣。3(e)和(f)VG0≦VG-VTH≦VD的條件時，閘極下方的電位介於源極電位和汲極電位之間，此時如同水門半開的情形，因此水(電子)可以由源極流到汲極。3(g)VGVG-VTH=VDVG進一步增加使VG-VTH≧VD時，稱為三極管區域。如上述，nMOS的閘極就如同水門一樣，可以藉由外加電壓的大小，控制電子由高電位的源極流到低電位的汲極。記憶單元的水池模型nMOS4(水的水池，位元線則相當水池的水道，字元線則用來控制水庫的水門(電晶體閘極)。以下利用上述的水池模型來說明記憶單元的資料儲存、資料寫入和資料讀取三個基本動作(電源電壓Vcc=5V)。儲存資料5(0V)不變，因此能達到儲存資料的功能，水池中水位的高低可以用來表示二進位的"0"或"1"。0V時相當於水池滿水位的高水位狀態，可用來代表二進位的"0"("L")5V時，相當於水池中沒有水的低水位狀態，可用來代表二進位的"1"("H")。當水門關閉，水道(位元線)的水位對於水池沒有影響，電容電位可以維持不會受到改變，因此可以用來儲存資料。資料寫入記憶單元的動作資料寫入記憶單元的動作如圖6所示，可分為寫入"0"的情形和寫入"1"的情形兩種，圖6(a)為寫入"0"的情形，圖6(b)則為寫入"1"的情形。將"0"寫入記憶單元中的順序如下：t1：根據之前的資料，水池可能為滿或空的狀態。t2(0V)t3：然後利用字元線控制(字元線6V)將水門打開，由於水道水位全滿為高水位狀態，因此水道中的水會流入水池將水池填滿，使水池成為高水位(低電位狀態"0")。實際的操作順序也可先打開水門之後，再提昇水道中水位進行寫入的動作。將"1"寫入記憶單元中的順序如下：t1：根據之前的資料，水池可能為滿或空的狀態。t2(5V)t3：然後利用字元線控制(字元線6V)將水門打開，由於水道水位全空為低水位狀態，因此水池中的水會流到水道，使水池全空成為低水位(高電位狀態"1")。寫入"1"的順序最好遵照上述t2和t3的順序，如果寫入"1"，Vcc=5V的電位時，水門必須全開到與水道的水位相等，因此字元線的"H"電位必須高於Vcc+VTH(VTH為電晶體的臨界電壓)，這種情形稱為字元線昇壓。6(a)"0""1"Vcc而水池原本為滿水位時，即使水門打VTH"1"VTHVcc-VTH。DRAM的重要線路技術。圖6記憶單元的寫入動作記憶單元的讀取動作1MDRAM以後所使用的位元線(1/2)Vcc7(a)"0"的動7(b)為讀取"1"的動作。讀取動作較寫入步驟複雜，由於水道(位元線)的電容量CB(CB=250~300fF)大於水池(電容)的容量(Cs=30~40fF)，且水道中的水量比水池的水多，因此打開水門讀取資料時，很容易發生水由水道倒灌水池的現象。讀取"0"時的順序如下：t1：水池水位全滿(電位0V)，水道的水位先預設在2.5V。t2：打開水門(字元線6V)，水池的水流到水道，由於水池中的水量很小，因此只能造成水道的水位微幅上升；當水門打開之後，水道中的電位會變成2.3V左右。水位的變化為：因此，當感應放大器偵測到水道的水位產生Δ0的變化時，便可以辨別出水池中的資料為"0"，讀取"1"時的順序如下：t1：水池水位全空(電位5V)，水道的水位先預設在2.5V。t2：打開水門(字元線6V)，水道的水流到水池，使得水道的水位下降，水道電位變成2.7V左右。水位的變化為：因此，當感應放大器偵測到水道的水位產生Δ1的變化時，便可以辨別出水池中的資料為"1"。記憶單元的讀取電壓DRAM1電晶體+18。如上述，DRAM由記憶單元讀取資料時，主要是藉由位元線的電壓變化經感應放大器辨別記憶單元中儲存為"0"或"1"的訊號，讀取資料時所需要的讀取電壓，可以由記憶單元的等效電路求出。CsfloatingCB。當寫入"1"或"0"VSNVcc0；CellplateVCPVBLCsCB儲存的電荷量和為：floatingon的狀態時(WLVBL+VTH)，儲存節點和位元線的電位為VSN'=VBL'，電荷量的和為：...............(2)讀取時的位元線電位的變化為ΔVBL時，根據式(1)和(2)：由上式可知ΔVBL與cellplate的電位VCP無關。˙當位元線的預充電電位VBL=Vcc時，˙如果位元線的預充電電位VBL=(1/2)Vcc時，位元線的電位變化如圖8所示。DRAM為：由於感應放大器實際判別的訊號電壓是位元線未改變完全的電壓，因此必須乘上補償係數η，η0.6~0.9的範圍之內。由式(6)的值決定訊號電壓ΔVBLΔVBLCB/CS的值約為10ΔVBL=200mV200mV，為了偵測微小訊號，DRAM的記憶單元必須具有放大功能的感應放大器線路。感應放大器感應放大器的特性要求感應放大器主要是用來辨別位元線訊號的電壓變化，以判別記憶單元中所儲存的資料，因此感應放大器必須具備下列特性：˙可以偵測微小的電壓差。˙工作速度快。˙工作電壓的範圍大。˙消耗電力小。˙面積小。隨著DRAM的容量的增加和元件的縮小，連帶地必須設法提昇感應放大器的性能才能維持元件的正常運作。如果是1電晶體+1電容型的記憶單元時，當打開字元線讀取儲存的"1"或"0"資料時，根據式(5)位元線電位差為：ΔV值相當於感應放大器的輸入電壓，為了增加感應放大器的輸入電壓大小，所以必須儘量降低CB/CS的比值。但是，當記憶容量增加使得DRAM的位元數增加時，會增加位元線電容CB使得ΔV的值減少。而且隨著線寬縮小，電源電壓VccΔV值會越來越小，因此如果要提高DRAM的容量，需要可以辨別最小輸入2項要求的工作速度特性有關，一般而言，如果速度增加時，感應放大器的靈敏度會變差。345型線路而非定電流的設計。而為了減少感應放大器的佔有面積，必須儘量採用簡單的線路設計(元件數目少的線路)。為了線路的穩定性著想，感應放大器不能對電源電壓的改變太過敏感，因此感應放大器所要求的性能會隨著DRAM容量的增加而越來越嚴苛。不過即使感應放大器的消耗功率小、元件面積小、工作穩定，但是由於感應放大器的靈敏度太差，仍然無法達到實用化的程度。因此對於輸入電壓小的大容量DRAM記憶體，感應放大器的敏靈敏度將是最重要的性能。感應放大器的基本線路1MBDRAMDRAMCMOSCMOSCMOS電晶體的良好特性，因此以CMOS元件所構成的感應放大器在消耗功率和雜訊方面，都獲得大幅的改善。1/2Vcc預充電的方式，目前DRAMCMOS感應放大器和(1/2)Vcc預充電方式的組合為主流。圖9是感應放大器的基本線路。兩條平行配置的位元線對與一個感應放大器連接，每個位元線都與多個記憶單元連接(一條位元線與128個連接)，相鄰的記憶單元則與不同的字元線連接，這種記憶單元與位元線之間的連接方式結構稱為折曲位元線(foldedbitline)方式。此外，也有在感應放大器的左右兩邊配置位元線的開放位元線方式(openbitline)flip-flopCMOS線路所構成，nflip-flopSAN驅動線啟動、pflip-flopSAP驅動線啟動。I/O線(ReverseWordLine)控制。感應放大器的動作圖9中的感應放大器在實際操作時，其工作時脈之間的關係如圖10所示。感應放大器的動作是由施加在DRAM的行位址訊號(RAS)所控制，當RAS為"H"電位時，DRAM為待機狀態；RAS為"L"電位時，DRAM稱為啟動狀態。0S為MV(位元線等位訊號為SANSAP也都維持(1/2)Vcct1時，BLEQ變成"L"電位，各位元線維持(1/2)Vcc電floating狀態。t2(WL0)Vcc。與被選擇字元線連接的記憶單元中的電子可由位元線對的一端(BL端)讀出。假設記憶單元記憶中儲存的資料為"0"時，根據式(5)，BL的電壓改變為Δ0，這時BL的電壓仍維持為(1/2)Vcc。t3~t4SANnBLBLBL的電BL的電位幾乎維持不變。t5~t6BLBL之間的電位差變大，SAN0V，SAPVccpBL放電0VBLVcc而完成感應動作。當感應動作完成之後也完成將記憶單元中原本儲存的資料重新寫入記憶單元的動作。這個重新寫入儲存記憶單元資料的動作稱為重寫(refresh)DRAM而言是非常重要的動作。在感應動作結束之後，由資料輸出I/O閘極(nMOS，Q7、Q8)I/O線、I/O線讀取資料。如果是由I/O線、I/O線強行反轉感應放大器將記憶單元中儲存的資料改寫。在時間t7時，由於已經完成讀取或寫入的動作，字元線電壓開始下降，記憶單元維持保持狀態。t8時，開始準備下個循環，BLEQ變為"H"，並將位元線對(BL、BL)短路使位元線成為等電位(1/2)VccSAP和SAN也變成(1/2)Vcc電位。以上是感應放大器的基本工作時脈。至於圖9感應放大器的基本線路中，反向字元線(NC0、NC1)的控制方式如下：NC1都是10t2WL0WL0連接的記憶單元和同一位元NC0變成"L"NC1則保持的狀態。t7變成"L"NC0則變回MOS電晶體的源極和汲極間電容與字元線、位元線間的偶合雜訊互相抵銷。以水池模型解釋感應放大器的工作原理10以工作時脈的方式來說明感應放大器的工作原理，為了進一步說明起見，可以借用圖111110中所對應的時間相同。t10V("L"或"0")2.5Vt2時，水門打開，水池中的水流入左水道使得左水道中的水位上升(2.3V)。t3SAN2.0VQ50.5VQ5VTH=0.5SAN2.0VQ5Q5Q5Q60.3V<VTHQ6維持關閉狀態。t41.2VQ5SAN(SAN流向左水道所以左水道的水位上升)。t5的電位開始逐漸增加(2.8V)Q4閘極的電壓為-1.6VQ4SAP(相反地右水道的水位下降)Q30VQ3維持關閉狀態。t60VSAP5Vt6(0V)而右水道的水位全空(5V)，所以水池中的水又變成全滿，而儲存的資料被重寫回儲存單元中。在時間t7時，水門關閉，因此儲存的資料維持不變。t8時，nMOSQ0變成打開狀態(t1~t7Q0)使左水道(水全滿)和右水道(水全空)的電位相等，這個步驟稱為位元線等位化，位元線的等位化對於記憶體讀取動作是非常重要的功能之一。感應放大器的靈敏度分析由於記憶單元中的儲存資料，是由感應放大器依據位元線的電位變化來決定，因此感應放大器的靈敏度將會決定記憶單元所必須具備的特性，接下來以非常簡單的模型來分析平衡型flip-flop感應放大器的靈敏度。感應放大器的靈敏度定義為正向放大輸入電壓(平衡型的輸入電壓為輸入電壓差)時所需的最小輸入電壓，接下來以圖12n通道flip-flop感應放大器的等效線路，來分析感應放大器的靈敏度。12Q1Q2β、臨界電壓VTH等特性參數相同，且C1=C2，當時間超過Vs暫態波形的時間常數一定程度時，Q1Q2β可用下式來表示：β：遷移率W：通道寬度Leff：有效通道長度εoxtox：閘極絕緣層厚度雖然理論上靈敏度可以達到無限小的程度，但是實際上元件設計和製造時彼此之間會有誤差產生，因此C1C2