實現可編程邏輯電路的三種主要技術

實現可編程邏輯電路可以選擇三種主要的技術，它們有兩種主要的特性:是否可重新編程以及是否易失。我們將介紹三種主要的器件，它們是支持可編程電路的技術基礎: 反熔絲、雙柵晶體管和基于SRAM的可編程電路。

01反熔絲

反熔絲的概念至少可以追溯到1957年，那時人們考慮將其用在存儲器中。當一個編程電流加在反熔絲器件上時，它會由正常的開路狀態變為短路狀態。它可以通過將一層絕緣層加在兩層導電層中間實現，當通以大電流時會在較小的面積上產生較大的功率耗散，會熔斷絕緣層。這是一種可單次編程的技術，因為編程后絕緣材料已被破壞不可恢復。制造反熔絲器件可以采用兩種主要結構:多晶硅擴散區結構和金屬-金屬反熔絲結構。

02雙柵晶體管

反熔絲技術的主要缺陷在于它的單次可編程特性。雙柵(或者浮柵)器件是一種特殊的晶體管，它的控制柵和晶體管溝道之間還有一個浮柵，可以進行非易失性的編程和擦除。Flash存儲器件(閃存)便利用了浮柵器件最新的技術，即EEPROM器件。EEPROM晶體管(電可擦除)是UVEPROM器件(紫外線可擦除)的改進版，比后者更為進步---UVEPROM是一種可通過電學機制編程(即在特定的電壓偏置狀態下)、通過紫外光擦除(因此它們的名稱里UV表示用來擦除的紫外線，而E表示通過電學方式寫入)的晶體管。UVEPROM器件并不實用，因為要想重新編程，必須從系統中移出然后擦除，而且還需要昂貴的帶有供紫外光通過窗口的封裝結構。EEPROM晶體管利用電學偏置實現編程和擦除(因而采用EE命名)。由于它們可以現場重新編程，因而更為靈活。EEPROM晶體管的結構如下圖所示，它就是一個改進的MOS晶體管?？刂茤藕推胀ňw管的柵極類似，而浮柵被氧化層包圍，并不能被電極直接連接。將存儲內容寫入器件需要將電子打入浮柵中，使之聚集負電荷。浮柵上的負電荷掩蔽了器件的溝道，使之在某種程度上受控制柵上和襯底之間所加電場的影響變小，因而即便控制柵加到Vdd的電平，導電溝道仍無法形成。因此，寫入信息后的器件不會導通，而未寫入的器件的特性則像普通晶體管一樣。

寫入過程是這樣完成的:將器件置于過飽和區，這樣溝道中的熱電子被加速，與襯底中的原子碰撞，然后離開襯底，通過薄的氧化層隧穿到浮柵。擦除過程則是通過將控制柵壓反置為負，讓電子從浮柵中隧穿回晶體管的源極。

03SRAM

靜態RAM開關技術使用了典型的采用交叉耦合反相器的SRAM單元，以存儲傳輸晶體管或者下圖所示的FPGA結構中的嵌入式傳輸門傳來的導電狀態。

這種技術的優勢從根本上來講在于其與浮柵器件相比，需較短的編程時間。而其缺陷在于它相對較大的面積(這是由于晶體管數更多)，并且在每次上電后還需要重新寫入。早期的FPGA在每次上電之后都必須從外部ROM或者flash電路中重新寫入?，F今，許多基于SRAM技術的FPGA都含有flash存儲模塊，它們保存了電路的配置數據，可以在每次上電后對電路進行內部寫入。

作者介紹：劉紅江，重慶郵電大學碩士研究生，海云捷迅FPGA硬件工程師，多年FPGA開發經驗，熟悉verilog、c等編程語言以及modelsim、vcs、等工具的使用，具有較深厚的數字多媒體通信以及AI加速器開發經驗。

審核編輯：湯梓紅