Rom Speicher dienen oft zum Speichern des BIOS (Basic Input Output System).
Informationen werden in Masken mit Hilfe einer Dioden Matrix abgespeichert. Früher wurde
ein Speicher von 16kbyte genutzt, die heutigen Rechner benötigen ca. 2Mbyte.
ROM (read only memory - nur lese Speicher) steht als Oberbegriff für
den Festwertspeicher, in dem fixe Daten zur sicheren Archivierung abgelegt
werden. Das ROM ist ein Bestandteil des Hauptspeichers, bei dem der Inhalt
jedoch nach dem Wegfall der Betriebsspannung, im Gegensatz zum RAM, erhalten
bleibt. Ein weiteres wichtiges Merkmal dieses Speicherbausteins ist, dass er
nur gelesen werden kann, dass heißt, er enthält bei der Rechneranschaffung schon
gewisse Informationen oder Programme und ist vom Nutzer per Software nicht mehr
zu verändern.
Bei diesen Informationen handelt es sich z. B. um das
Betriebssystem, Startprogramme und Betriebssystemroutinen. So besaß der Ur-PC von IBM ein dreiteiliges ROM, welches die Dienstprogramme, BASIC und einen
freien Bereich für weitere Programme besaß. Um Änderungen vorzunehmen oder
andere Informationen hinzuzufügen, war dieser PC noch mit einem freien ROM
Steckplatz versehen.
Da der Inhalt eines Chips schon vor der Produktion feststehen muss, ist die
Herstellung teuer und aufwändig. Ein ROM - Speicherbaustein wird mit einer
Maske programmiert, bei der die 0 und 1 Pegel über die Unterbrechung von Brücken
zwischen Zeilen und Spalten realisiert wird. Diese Zeilen bestehen aus
Siliciumbahnen, die als stromführende Leitungen, auf einer Trägerschicht über der
sich ein Isolator und weitere Leitungen (den Spalten) befinden,
verlaufen. Die Kreuzungspunkte sind die Speicherpositionen. Eine 1 steht,
wenn die Isolierschicht entfernt und somit ein Kontakt hergestellt wurde.
Das Verbinden und Nichtverbinden der Bahnen ist Teil des
Herstellungsprozesses. Beim Einsatz kann die Logik des Bausteines
feststellen, ob nach Anlegen einer Spannung auch die kreuzenden Bahnen unter
Strom stehen.
Technologische und ökonomische Gründe haben vielfältige Zwittervarianten
zwischen RAM und ROM entstehen lassen.
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gespeichert:
Die Dioden stellen das High-Bit dar. Dort wo keine Dioden sind ist das Low-Bit. |
Eigenschaften:
nur einmal programmierbar
Die Programmierung erfolgt über ein spezielles PROM-Programmiergerät in das der ROM-Chip eingesetzt wird
Möglichkeit 1: Programmierung mit Ausbrennwiderständen
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Jede Bit-Zelle besteht aus einem npn-Transistor und einer Schwachstelle z.B. einem Aus-brennwiderstand. Diese kann vom Anwender durch ein Pro-grammiergerät zerstört werden. Der daraus erfolgte Zustand dieses Bausteins bleibt nun für immer bestehen. Programmierzeit ca. 1 ms/Bit. |
Möglichkeit 2:
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Das Koppelelement ist ein npn-Transistor mit nicht ange-schlossener Basis. Durch an-legen einer hohen Spannung erfolgt eine Veränderung des Transistors - es bleibt eine Diodenstrecke übrig. Programmierzeit ca. 0.2ms/Bit |
Verbesserter EPROM der im eingebauten Zustand
schaltungselektrisch löschbar ist.
Somit ist debuggen und updaten wesentlich einfacher
und nicht mehr so umständlich, da man wesentlich einfacher
eine neue Konfiguration brennen kann.
Ein Problem von EEPROMs ist die begrenzte
Anzahl von Schreibzyklen (10.000 - 100.000 mal).
Man kann es auch als Mittelstück zwischen RAM und ROM
bezeichnen. Langsamer als RAM-Bausteine.
(Lösch- und Programmierzeit ca. 5 ms/Bit)
Die Bezeichnung EAROM steht für Electrically
Alterable ROM, was so viel wie elektrisch veränderbares ROM bedeutet.
Auch diese Form des Speichers ist eine Zwischenform von RAM und ROM, aus der wie
gewohnt gelesen, aber auch hineingeschrieben werden kann. Da der Schreibvorgang
aber viel Zeit in Anspruch nimmt, die Speicherdichte relativ gering und die
Herstellung teuer ist, wird diese Art nur selten eingesetzt.
In den letzten Jahren hat sich die Produktion
auf die Flash-ROMs (auch Flash RAM) verlagert. Diese Variante des EEPROMs ist
bevorzugt sektorweise oder vollständig löschbar, und stellt wahrscheinlich die
zukünftig am häufigsten genutzte Form dar.
Eigenschaften:
Speicherart |
Löschen |
Programmieren |
ROM |
nicht möglich |
bei Herstellung |
PROM |
nicht möglich |
elektrisch |
EPROM |
durch UV-Licht |
elektrisch |
EEPROM |
elektrisch |
elektrisch |
EAPROM |
elektrisch |
elektrisch |
FLASHPROM |
elektrisch |
elektrisch |
![]() |
Festwertspeicher
werden in der Regel als ICs hergestellt. |
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Die angelegte Adresse wird im Adressenregister in Spalten- und Zeilenadresse aufgeteilt und danach an den Zeilen- und Spaltendekoder geschickt. Dort wird dann die Adresse dekodiert, so dass die Adresse genau einer Speicherzelle in der Speicher-matrix zugewiesen werden kann. |
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Speicherelement ist jeder Kreu-zungspunkt zwischen Zeilen- und Spaltenleitung der Speichermatrix. Der jeweils gespeicherte Binärwert wird durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Leitenden Verbindung zwischen Zeilen- und Spaltenleitung bestimmt. |
Die Aufgabe, eine monolithische Schaltung zu
entwerfen, erfordert die Umsetzung des Logikplans in eine Verbindung geeignet
dimensionierter Schaltungselemente. Zu dieser komplexen, Millionen von
Einzeloperationen erfordernden Tätigkeit, werden Computerprogramme eingesetzt.
Durch eine funktionelle Simulation wird die Korrektheit des Schaltungsentwurfs
überprüft. Die günstigste Anordnung aller Schaltungselemente wird am Bildschirm
eines Arbeitsplatzrechners erstellt. Die Form und Lage aller Elemente und
Leiterbahnen wird als Lageplan digital abgespeichert. Dabei erfolgt eine
Aufteilung in eine Vielzahl von Ebenen. Durch eingehende Kontrollen des
Lageplans wird überprüft, ob alle Verbindungen richtig hergestellt wurden und
alle durch die Technologie geforderten Regeln für Abmessungen und Abstände
eingehalten wurden. Die Kenndaten des Lageplans bilden die Grundlage einer
abschließenden Simulation der elektrischen Eigenschaften der Schaltung mit einem
Computerprogramm.
Auf der Grundlage der Koordinatendaten des
Lageplans werden optisch oder mit einem Elektronenstrahl Masken für die
Chipherstellung erzeugt. Jede Maske besteht aus einer Glas- oder Quarzplatte mit
einer Metallschicht (Silber oder Chrom), in die die feinen Schaltungsstrukturen
eingeätzt sind. |
![]() Schneidetisch zur Maskenjustierung |
Die Herstellung der Chips auf einer Halbleiter Kristallscheibe erfordert einige
hundert auf einander folgende Prozessschritte. Viele dieser Schritte erfolgen bei
Temperaturen von etwa 1000° C im Vakuum oder in einer bestimmten Gasatmosphäre.
Die wichtigsten Prozessschritte sind: Maskieren der Kristalloberfläche durch
photolithographische Verfahren, Dotieren und Metallisieren. Alle verwendeten
Substanzen müssen ungewöhnlich hohe Reinheit aufweisen. Automaten besorgen den
Transport der Kristallscheiben. Die Präzisionsbearbeitung der Scheiben kann sich
insgesamt über Wochen hinziehen. Jede Störung im Prozessablauf senkt die Ausbeute
drastisch, selbst einzelne Staubpartikel können zum Ausfall führen. Daher muss in
Reinsträumen gearbeitet werden.
![]() Maskenjustier- und Belichtungsgerät |
Bei der Herstellung der Chips wird zunächst in
einem Rohofen die ganze Kristallscheibe mit einer Oxidschicht überzogen. Auf
diese wird ein extrem dünner Überzug von Photolack aufgebracht, der durch die
Maske hindurch belichtet wird. An den belichteten Stellen härtet der Lack aus
und schützt die darunter liegende Oxidschicht. An den unbelichteten Stellen wird
der Photolack weggelöst und die darunter liegende Oxidschicht durch einen
nachfolgenden Ätzvorgang entfernt. Durch geeignete Masken legt man so die zur
weiteren Bearbeitung vorgesehenen Bereiche der Kristalloberfläche frei.
Im Wechselspiel von Maskierung und Ätzung mit Dotierung, Oxidation,
Metallisierung werden an der Oberfläche der Kristallscheibe die Strukturen in
dünnen Schichten aufgebaut. Für die Herstellung hochintegrierter Chips sind bis
zu zwanzig verschiedenen Masken erforderlich. Silicium ist von anderen
Halbleitermaterialien dadurch ausgezeichnet, dass sein Oxid sehr dicht und
porenfrei ist. Es schützt damit hervorragend die Kristalloberfläche.
Zur Übertragung der Maskenstruktur auf die Siliciumscheibe belichtet man mit kurzwelligem UV-Licht mit einer Wellenlänge
von 0,4 µm. Die damit erzielbaren kleinsten Strukturen liegen im Bereich von 1
µm. Noch feinere Auflösung erreicht man mit einem Elektronenstrahl. Bei einem
Strahldurchmesser von 0,07 µm werden Strichbreiten von 0,3 bis 0,5 µm erzielt.
Eine noch bessere Auflösung ist mit Röntgenlicht erreichbar.
Auf der oxidierten Kristallscheibe werden durch Maskierung Bereiche freigelegt, in denen durch Dotierung die Leitfähigkeit verändert wird. Dadurch kann man Dioden und Transistoren, Widerstände und sogar Leiterbahnen herstellen. Es gibt zwei Dotierverfahren: Diffusion und Ionenimplantation.
Bei der Diffusion dringen bei hoher Temperatur Fremdatome in den freigelegten Bereich der Kristalloberfläche ein. Dies geschieht in Rohöfen. Bei der Ionenimplantation werden ionisierte Fremdatome in den freigelegten Teil des Kristalls eingeschossen. Die Beschleunigung der Ionen erfolgt durch elektrische Felder.
Zur Verbindung der einzelnen Bauelemente einer integrierten Schaltung sind
Leiterbahnen erforderlich. Als Leiterbahnmaterial wird vornehmlich Aluminium
verwendet. Das Aluminium wird ganzflächig aufgedampft und nachfolgend mit Hilfe
von Masken photolithographisch strukturiert. Bei besonders komplexen Schaltungen
werden zur Verkürzung der Signalwege mehrere, voneinander isolierte
Verdrahtungsebenen benötigt (Mehrlagenverdrahtung). Diese werden durch Löcher in
der Isolierschicht metallisch miteinander verbunden. Die Leiterbahnen enden am
Rand des Chips in größeren Kontaktflächen, an die später dünne Golddrähtchen
angeschweißt werden.
Nach Herstellung der Schaltungen auf der Kristallscheibe wird jeder Chip mit
Hilfe eines Prüfprogramms auf seine Funktion überprüft. Dünne Metallnadeln
verbinden den Chip mit der Messeinrichtung. Fehlerhafte Schaltungen werden
markiert und registriert. Die Scheibe wird auf eine Folie geklebt und mit einer
Diamantsäge in die rechteckigen Chips zertrennt. Die Chips bleiben auf der
unzertrennten Folie haften.
Aus einer Scheibe mit 15 cm Durchmesser kann man 400
und mehr Chips erhalten. Die einwandfreien Chips werden mit einer Saugpinzette
von der Folie aufgenommen und auf einen Träger geklebt oder gelötet. Ein Automat
verbindet durch haarfeine Drähte die Kontaktpunkte mit den Anschlüssen des
Gehäuses (bonden). Es gibt eine Vielzahl von Gehäusebauformen:
Nach dem Einbau der Chips im Gehäuse erfolgt eine nochmalige Funktionsprüfung am Testautomaten.
Röntgenstrahl-Beleuchtungsbild einer Halbleiterscheibe,
Gitterstörungen
Eine genormte Aufbautechnik ist eine wichtige Voraussetzung für die
wirtschaftliche Fertigung elektronischer Baugruppen. Die Bauelemente werden
meist auf Platinen, d.h. auf Leiterplatten mit geätzten Kupferleitungen,
aufgelötet. Die so bestückten Platinen nennt man Flachbaugruppen.
Platinen
können einseitig oder beidseitig mit Leiterbahnen versehen sein. Für
umfangreiche Schaltungen gibt es Platinen mit mehreren Verdrahtungsebenen, die
miteinander an einzelnen Punkten verbunden sind. Die Bauelemente werden entweder
mit ihren Anschlussdrähten in Kontaktlöcher eingesteckt oder verlötet, oder, wenn
drahtlos, auf die Platinen geklebt und verlötet (Oberflächenmontage).
Die Packungsdichte integrierter Schaltungen in Baugruppen kann durch die Montage der Chips auf Vielschicht-Keramikträger gesteigert werden. Diese Keramikträger werden aus vielen Schichten eines papierdünnen Keramikmaterials aufgebaut, das mit dünnen Verbindungsleitungen aus einer Molybdänpaste bedruckt wurde. Durch Löcher in den einzelnen Lagen werden die Leitungen zu einem Netzwerk verbunden. Nach dem Zusammenpressen der einzelnen Lagen entsteht durch Sintern eine feste Keramikplatte. Sie wird mit Kontaktstiften zur Verbindung mit anderen Baugruppen versehen. Die Chips werden anschließend mit winzigen Blei-Zinn-Kügelchen drahtlos durch Löten direkt mit der Keramikplatte verbunden. Ein Kühlkörper führt die beim Betrieb entstehende Wärme an die Luft oder durch Kühlwasser ab.