CN1877743B

CN1877743B - 相变存储器器件单元阵列演示系统及可视化演示的方法

Info

Publication number: CN1877743B
Application number: CN 200610028740
Authority: CN
Inventors: 宋志棠; 刘波; 梁爽; 陈小刚; 封松林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2026-07-07
Also published as: CN1877743A

Abstract

本发明涉及相变存储器器件单元阵列演示系统及可视化演示的方法，其特征在于所述的演示系统由控制计算机、脉冲信号发生器、控制电路板、相变存储器存储阵列芯片及转换连接部件构成，其中所述的电路板是由控制电路、选址电路、切换电路、读出电路、显示电路组成的；整个演示系统得核心为单片机，控制计算机通过自带的RS232接口实现与单片机的通信，接受指令和数据的传递；单片机通过可编程逻辑器件实现对周围各种模块，如发光二极管、液晶显示屏、读出电路、切换电路或选址电路的控制，所述的演示方法包括数据的存储、读出以及简单数据运算的演示，也即对器件单元阵列的数据读/写/擦过程进行可视化的演示。

Description

相变存储器器件单元阵列演示系统及可视化演示的方法

技术领域

本发明涉及相变存储器器件单元阵列演示系统及可视化演示方法，属于微纳电子学技术领域。

背景技术

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：写操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；擦操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。

世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，如英特尔、三星、飞利浦、日立、瑞萨、松下、台湾旺宏、IBM等，他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，韩国三星公司已经制备出了64MB的测试芯片，目前相应的研究热点也就围绕其器件工艺展开：降低功耗；提高存储密度和速度；增加器件的使用寿命等。同时，相变存储器存储性能的实现和直观表征也是其研究过程中的关键步骤，目前判断器件单元状态的唯一标准是测量其电阻值，而不能实现直观的可视化操作，因此需要一套能够完成器件单元的选择性存储操作、存储数据的运算、数据状态的直观显示等功能的操作系统，即器件单元阵列的演示系统。但是由于相变存储器目前仍然处于研发阶段，国内外还没有相关的标准演示系统，为此，本发明拟提出一套针对相变存储器器件单元阵列的存储演示系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对相变存储器器件单元阵列演示系统及进行可视化演示的方法。

相变存储器演示系统是由控制计算机、脉冲信号发生器、控制电路板(包括控制电路、选址电路、切换电路、读出电路、显示电路)、相变存储器存储阵列芯片及转换连接部件构成一个完整的演示系统(如图1所示)。整个演示系统的核心为一片单片机，控制计算机通过自带的RS232接口实现与单片机的通信，接受指令和数据的传递。单片机通过一片可编程逻辑器件实现对周围各种模块的控制，如发光二极管(LED)、液晶显示屏(LCD)、读出电路、切换电路以及选址电路。切换电路根据单片机的命令在脉冲信号发生器和读出电路之间切换，实现读写操作的切换。选址电路根据单片机的命令选中存储阵列中相应的单元。相变存储器器件单元阵列通过样品接口电路与插座部分接入电路板。通过控制操作软件中的数据写/擦模块、数据运算操作模块和数据读取显示模块这三个模块以及脉冲信号发生器、转换连接部件等实现对存储阵列数据的存储与读取功能的一种可视化的演示方式。

演示系统各组件的具体参数和功能如下：

1)控制计算机和控制软件主要是实施命令的发送和数据的采集，以控制脉冲信号发生器和自制电路板实现数据的读/写/擦操作。

2)脉冲信号发生器的型号为81104A，由美国Agilent公司生产，脉冲信号发生器可以以单通道或双通道两种模式产生脉冲信号，脉冲信号是单一脉冲或连续脉冲信号；脉冲信号的形状特征是单一形状或两种不同形状的组合；脉冲信号的功能是对器件单元进行读/写/擦操作；电流脉冲信号的高度范围是0-400mA，电压脉冲信号的高度范围是0-10V，脉冲信号的宽度6.25ns-999.5s。

3)控制电路板的特征：包括主控制电路、状态显示电路和读写控制电路等，其中主控制电路的功能主要是与计算机之间进行指令和数据传递，实现对状态显示电路和读写控制电路的控制，以完成相应的操作；状态显示电路就是把当前的操作模式和当前的器件单元阵列状态一一对应的显示出来；读写控制电路的特征在于由读出电路、切换电路、选址电路和样品接口电路等组成，其中，切换电路按照主控制电路发出的指令将样品在读出电路和脉冲发生器之间切换，选址电路根据主控制电路发出的指令选中相应的器件单元阵列中的某行某列或某个器件单元，读出电路就是把选中的地址上的器件单元中存储的数据读取出来，样品接口电路提供给不同大小的器件单元阵列的接口。

4)显示装置的特征：显示装置的功能是把经过数据写/擦操作和数据读取操作后的结果显示出来，数据操作结果的显示载体可以是显示屏或发光二极管中的任意一种。

演示系统软件操作过程就是选择一种操作模式，如果是数据的写/擦操作，首先要把所有的阵列单元初始为多晶态，然后控制电路和脉冲发生器把数据以选定的存储方式存储在相应的阵列单元上。如果是数据的读取操作，就是以选定的读取方式把数据从输入的地址上读取出来。

相变存储器演示系统的软件操作模块特征如下：

a)演示系统的数据写/擦模块特征是：通过操作软件控制自制电路板、脉冲信号发生器、转换连接部件，把数据存储到相变存储器阵列的某些单元上，并且把操作过程和存储后的阵列的状态显示在相应的显示装置上。其中控制计算机的写/擦模块的软件流程图如图2，首先选择写/擦操作模式，接着输入初始化的脉冲参数，接着发送一串命令字符串，通知单片机对单元阵列进行全部初始化，然后等待单片机发来的切换到脉冲信号发生器的命令，操作脉冲信号发生器对选中的地址进行全部的擦操作，然后发送字符串的命令通知单片机此地址已经初始化结束，接着判定是否所有地址全部初始化结束，如果没有，则继续初始化，否则进入数据存储过程，首先选择存储方式、存储地址和所要存储的数据以及进行存储的脉冲参数，然后发送一串包含命令的字符串，通知单片机对指定的地址进行存储，接着等待单片机发来的已切换到脉冲信号发生器的命令，然后操作脉冲信号发生器，对选中的地址的相应单元进行写操作，也就是把相应的数据存储到此地址，最后发送一串命令的字符串通知单片机数据存储结束。单片机的操作软件流程图如图3所示，其过程就是首先初始化所有器件参数，然后获取控制计算机发来的含有命令信息的字符串，接着根据通信协议处理这些命令信息，进行相应的操作处理。此部分循环进行，在处理过程中首先是LCD显示当前的操作流程，然后单片机控制外围的器件对单元阵列进行相应的操作处理，接着把处理好的结果返给计算机，最后LED显示操作过后存储单元阵列的状态。

b)、演示系统的数据读取模块特征是：通过操作软件控制自制电路板和转换连接部件把相应地址的存储阵列的单元状态读取出来并在显示装置上一一对应的显示出来，读取电阻的测试电压一定要小于相变存储器发生相变的阈值电压。其中控制计算机的数据读取模块的软件流程图如图4，首先选择数据运算操作模式，然后选择相应的读取方式，接着输入相应的存储数据和存储地址，然后发送一串含有命令的字符串，通知单片机进行数据的读取，最后等待单片机发来的读取的结果，并显示出来。

c)演示系统的数据运算操作模块的特征是：通过操作软件控制自制电路板、脉冲信号发生器、转换连接部件，把要运算的数据和运算的结果存储到相变存储器阵列的某些单元上，并且把操作过程和存储后的阵列的状态显示在相应的显示装置上。其中控制计算机的数据运算模块的软件流程图如图5，首先选择数据运算操作模式，然后输入运算的数据以及运算方式，接着输入写擦脉冲参数以及数据存储地址，然后发送一串含有命令的字符串，通知单片机进行数据的运算，接着等待单片机发来的已切换到脉冲信号发生器的命令，操作脉冲信号发生器对选定的地址进行擦操作，即初始化，然后操作脉冲信号发生器对此地址相应的单元进行写操作，即把相应的数据存储到此地址单元，接着发送一串命令的字符串，通知单片机此数据已经存储结束，最后判定所有的数据以及运算结果是否都存储完，如果没有则继续存储，否则整个运算结束。

上述相变存储器演示系统的软件操作过程，就是首先选中数据读取和数据写/擦模块中的一种，然后输入读取的地址或存储的数据和地址，最后通过控制按钮进行数据的存储或读取。

附图说明

图1相变存储器器件单元阵列演示系统的硬件结构图

图2相变存储器器件单元阵列演示系统的数据写/擦的流程图

图3相变存储器器件单元阵列演示系统的电路板中单片机的操作软件流程图

图4相变存储器器件单元阵列演示系统的数据读取的流程图

图5相变存储器器件单元阵列演示系统的数据运算的流程图

图6相变存储器器件单元阵列演示系统的第一列的读出电路、切换、选址电路的原理图

图7相变存储器器件单元阵列演示系统的与可编程器件接口以及对读出电路、切换、选址电路进行控制的电路原理

具体实施方式

实施例1

图6是相变存储器器件单元阵列为8×8的演示系统第一列的读出电路、切换电路、选址电路的原理图，其它七列都是同样的原理。其中Q9是模拟器件ADG706BRU，他的功能是在EN端高电平的情况下D端口会根据端口A[3-0]输入信号选通S[16-1]中的一个，其功能相当于4-16的多路开关。在这里用作选址电路，其中EN端接列选中信号如SAMPLECIL0，A[2-0]接本列的行选中信号如SAMPLEROW[2-0]，S[8-1]接某列的八个存储单元如SAMPLE[70-00]，D接样品的输出端如SAMPLEOUT0，其它七列也是同样的连接关系。

其中Q1、D1、LS1与三个电阻只切换电路，其中Q1是型号为KSC1623的三极管，D1是型号1N1448的二极管，LS1为OMRON公司的型号是G5V-1的小信号的继电器，LS1的单端接样品的输出如SAMPLEOUT0，双段分别接脉冲信号的输出和读出电路的输入如PULSEIN和READOUT0，三极管的基极输入接切换控制信号如MODESEL，则根据控制信号MODESEL的电平的高低使样品的输出在读出输入READOUT0和脉冲输入PULSEIN之间切换，其它七列也是同样的原理。

其中U3、U4、U10以及一些外围的电阻构成一个读出电路，U3、U4、U10都是型号为AD8061的放大器，其中U3的用来产生比较电压如CMP_VOL，作为U10的-IN的输入U4用来产生一个读电压如READ_VOL，此电压在电阻R9和存储单元上分压，产生的分压信号如READOUT0接U10的+IN端，此分压与U3产生的比较电压通过U10用比较器的功率放大器作比较，输出READOUTVOL0信号。由于存储单元在非晶和多晶的电阻的差别从而决定了分压信号READOUTVOL0有一个较大的变化范围，而比较电压CMP_VOL电压大小介于存储单元为非晶和多晶时所得的分压READOUTVOL0之间，从而可以判定当存储单元为非晶时由于阻值高输出信号READOUTVOL0为高电平，存储单元为多晶时由于阻值低输出信号READOUTVOL0为低电平，其它的七列也是同样的原理。如图6所示这样的电路原理共有八个，则形成SAMPLE[70-00]、SAMPLE[71-01]、SAMPLE[72-02]、SAMPLE[73-03]、SAMPLE[74-04]、SAMPLE[75-05]、SAMPLE[76-06]、SAMPLE[77-07]、SAMPLECOL[7-0]、SAMPLEROW[2-0]、READOUTVOL[7-0]、MODESEL、PULSEIN信号端，其中SAMPLE[70-00]、SAMPLE[71-01]、SAMPLE[72-02]、SAMPLE[73-03]、SAMPLE[74-04]、SAMPLE[75-05]、SAMPLE[76-06]、SAMPLE[77-07]接8×8样品器件单元存储阵列；其中SAMPLECOL[7-0]、SAMPLEROW[2-0]、READOUTVOL[7-0]、MODESEL接如图7所示接口控制电路；PULSEIN接脉冲信号发生器的输出。实施例1电路可以变化功能相同。

实施例2

图7是相变存储器器件单元阵列演示系统中的对图6所示的切换电路、选址电路、读出电路进行控制的控制电路以及与可编程逻辑器件相连接的接口电路。其中J1是与可编程器件和U1、U2相连的接口电路，U2是型号为74HC574的触发器，其功能是当使能端OC非为低电平有效时时钟输入CLK为上升沿时输入端D[8-1]全部送到Q[8-1]输出端上，在此使能端接地，时钟输入接J1的列选使能信号CS_COL，Q[8-1]接图6的列选信号SAMPLECOL[0-7]，D[8-1]接由可编程器件连接的J1的数据信号MCU-AD[0-7]上。U1是型号为74HC245的缓冲器，其功能是当使能端E非为低电平有效时，方向控制信号DIR为低电平时数据信号从B[8-0]输出到A[8-0]，方向控制信号为高电平时数据信号从A[8-0]输出到B[8-0]。在此使能端接与可编程逻辑器件连接的J1的读出控制端CS_READOUT相连，方向控制信号接高电平，A[7-0]接图6的读出电路的读出信号READOUTVOL[7-0]，B[7-0]接与可编程器件相连J1的数据信号的MCU_AD[7-0]。而J1的MODESEL的接图6的切换电路的控制信号的MODESEL，SAMPLEROW[2-0]接图6的选址电路的A[2-0]。针对J1的引脚来说明电路的工作时序，首先是列使能信号CS_COL有效，然后把数据信号MCU_AD[7-0]输出到SAMPLECOL[7-0]上，从而可以控制某些列选中，接着行选择信号SAMPLEROW[2-0]有效，从而可以选中这些列的某一行，然后切换使能信号MODESEL控制对选中的单元读出或操作脉冲信号发生器对这些单元写擦操作。实施例2电路可以变化功能相同。

Claims

1.一种相变存储器器件单元阵列演示系统，所述的演示系统由控制计算机、脉冲信号发生器、控制电路板、相变存储器存储阵列芯片及转换连接部件构成，其中所述的控制电路板是由控制电路、选址电路、切换电路、读出电路、显示电路组成的；整个演示系统的核心为单片机，控制计算机通过自带的RS232接口实现与单片机的通信，接受指令和数据的传递；单片机通过可编程逻辑器件实现对周围各种模块的控制，所述的模块为读出电路、切换电路或选址电路；其特征在于所述的切换电路根据单片机的命令在脉冲信号发生器和读出电路之间切换，实现读写操作的切换；选址电路根据单片机的命令选中存储阵列中相应的单元；相变存储器器件单元阵列通过样品接口电路与插座接入电路板。

2.按权利要求1所述的相变存储器器件单元阵列演示系统，其特征在于所述的脉冲信号发生器的型号为81104A，脉冲信号发生器以单通道或双通道两种模式产生脉冲信号；脉冲信号为单一脉冲或连续脉冲信号；脉冲信号的形状特征是单一形状或两种不同形状的组合。

3.按权利要求1或2所述的相变存储器器件单元阵列演示系统的可视化演示方法，所述的可视化演示方法是选择一种操作模式，包括数据的写/擦操作，首先要把所有的阵列单元初始为多晶态，然后控制自制电路板和脉冲发生器把数据以选定的存储方式存储在相应的阵列单元上；数据的读取操作，是以选定的读取方式把数据从输入的地址上读取出来以及数据运算操作；其特征在于演示系统的数据写/擦模块是通过操作软件控制自制电路板、脉冲信号发生器、转换连接部件，把数据存储到相变存储器阵列的单元上，并且把操作过程和存储后的阵列的状态显示在相应的显示装置上；其中控制计算机的写/擦模块的软件流程是首先选择写/擦操作模式，接着输入初始化的脉冲参数，接着发送一串命令字符串，通知单片机对单元阵列进行全部初始化，然后等待单片机发来的切换到脉冲信号发生器的命令，操作脉冲信号发生器对选中的地址进行全部的擦操作，然后发送字符串的命令通知单片机此地址已经初始化结束，接着判定是否所有地址全部初始化结束，如果没有，则继续初始化，否则进入数据存储过程，首先选择存储方式、存储地址和所要存储的数据以及进行存储的脉冲参数，然后发送一串包含命令的字符串，通知单片机对指定的地址进行存储，接着等待单片机发来的已切换到脉冲信号发生器的命令，然后操作脉冲信号发生器，对选中的地址的相应单元进行写操作，也就是把相应的数据存储到此地址，最后发送一串命令的字符串通知单片机数据存储结束；所述单片机的操作软件流程的过程是首先初始化所有器件参数，然后获取控制计算机发来的含有命令信息的字符串，接着根据通信协议处理这些命令信息，进行相应的操作处理，此部分循环进行，在处理过程中首先是LCD显示当前的操作流程，然后单片机控制外围的器件对单元阵列进行相应的操作处理，接着把处理好的结果返给计算机，最后LED显示操作过后存储单元阵列的状态。