집적회로소자개론 [14] DRAM (2)

 

집적회로소자개론 [13] DRAM (1)

 

1. Charge Sharing

셀 커페시터(Cell Capacitor)와 Bit Line (BL)이 연결되면서 전하를 서로 나눠가지는 현상

빨간색  Capacitor	데이터를 저장하는 공간
가로선(Bit Line)	데이터를 읽어가는 통로
가운데 transistor	문(스위치)

 

 

 Charge sharing이란 전하량 보존 법칙과 같은 말고,  Transistor Turn ON 전후로 전하의 전체 합이 같다는 말이다. 위의 그림은 데이터 1이 저장되어있는 상태이다. 이때 Read '1'을 하는 상황에서의 전하량 보존 법칙에 대해 살펴보자.

 

  Read 1인 상황의 모식도를 물탱크 비유를 통해 이전에 알아보았었다.

 

Data = 1 인 상태

Charging Sharing 전	Qc = Cc Vcc (Cell Storage Charge)	Qt = Qc + Qb = ( Cc Vcc ) + ( Cb 1/2Vcc )
	Qb = CbVb = Cb 1/2Vcc
Charging Sharing 후	Qt = Qc + Qb = (Cc + Cb) Vb' Vb' : 바뀐 수면의 높이

 

여기서 C는 용기의 크기 개념에 해당한다.

 

최종적으로 정리하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

 

 ∆Vb는 약 100~200mV정도로 매우 작은 값이다. ∆Vb가 커질수록  Sencing에 유리하며, Cc가 커지고 Cb가 작아질수록 ∆Vb는 커진다.  

 

1-1. Plate Voltage

DRAM에서는 Bit Line의 전압이 올라갔는지 내려갔는지로 1과 0을 구분한다.

 

 DRAM은 사실 셀(Capacitor)에 저장된 아주 작은 전하를 읽는 장치이다. 하지만, Capacitor 안을 직접 보는 것은 쉽지 않다. 그래서 BL(Bit Line) 전압이 변하는 걸 보고 1인지 0인지 판단한다.

 

 

 

여기서 Plate Voltage 라는 개념이 나온다.

 Capacitor는 원래 위아래판 전압 차이로 전하를 저장한다. DRAM 에서도 마찬가지인데, 위쪽은 Storage Node, 아래쪽은 Plate로 아래쪽 전압이 Plate이다. 

 

커패시터의 공식은 원래 Q= VC인데, V = (위의 판 전압) - (아래 판 전압)이다. 그래서 사실 셀 전하는 

V1: storage node 전압 Vplate: 아래판 전압

과 같은 식이 되는 것이다.

 

그럼 Plate Voltage가 실제로 영향을 줄까?

 

다음 식의 전개를 보면 알 수 있다.

 

 

 Plate Voltage는 Charging sharing 전후로 식에 들어있기 때문에 결과적으로는 영향을 주지 않는다. 즉, 둘다 같은 기준점 역할을 하는 것이다. 즉, 실제로 Charge sharing에서 중요한것은 V_plate가 아닌 Capacitor 전압과 BL 전압의 차이이다.

 

2. Sense Amplifier(SA)

아주 작은 BL 전압 차이를 어떻게 크게 증폭해서 0/1로 읽는가?

 

2-1. Sense Amplifier의 필요성

왜 Sense Amplifier가 필요할까?

 

BL은 Precharge 상태에서 1/2 Vcc 였고, 읽고 난 후 겨우 1/2 Vcc ±  ∆Vb(100-200 mV)가 된다. 이때의  ∆Vb는 매우 작기 때문에  0.5V 에서 아주 조금 올라가거나 내려간 정도가 되며, 이 아주 작은 차이를 증폭 시켜 0 또는 1이라는 데이터를 얻어낸다. 

 

예시를 들어보자.

 

1) Data = 1

 

 셀에 데이터 1이 저장되어있을 경우, Charging Sharing 후의 전압은 다음과 같다.

	전압
BL	1/2 Vcc +  ∆Vb
/BL	1/2 Vcc

 

즉, BL이 아주 조금 높아진다.

 

하지만, 이 차이는 매우 적기 때문에, 이전에 SRAM 에서 사용했던  Cross-coupled inverter의 원리를 이용하여 데이터를 증폭시킨다. Cross-coupled inverter는 서로 반대 방향으로 밀어주는 회로로, 왼쪽이 더 높을 경우 회로는 왼쪽을 더 높게 아래쪽을 조금 더 낮게 밀어버리는, 작은 차이를 빠르게 키우는 회로이다. 이 장치를 활용하면 다음과 같은 결과를 얻어낼 수 있다.

 

	전압	증폭 전압
BL	1/2 Vcc +  ∆Vb	Vcc
/BL	1/2 Vcc	0

 

 

시간 그래프로 다시 한번 이해해보자.

처음에는 둘다 precharge 상태로 1/2 Vcc이다. 이때, WL이 ON되면 Cell이 BL과 연결되며, charge sharing 이 발생하며 BL은 조금 올라가고 /BL은 동일하다.

	전압
BL	1/2 Vcc +  ∆Vb
/BL	1/2 Vcc

 

이후 S/A를 키면 증폭으로 인해, 높은 쪽은 Vcc까지 올라가고, /BL은 0까지, 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 다시 Transistor와 S/A를 모두 끄면, Precharge 상태가 된다.