Vorlesung: Moderne Speichertechnologien (2V/1L)

Für Studierende der Masterstudiengänge Elektrotechnik in den Wahlbereichen "Computers and Electronics" und "Nano-Systems-Engineering" und Informations-Systemtechnik im Wahlbereich "Computer Engineering and Embedded Systems Platforms - Analoge Integrierte Schaltungen" (z.Z. auf Antrag), oder als Zusatzfach.

Ort: Seminarraum des Instituts für Elektronische Bauelemente und Schaltungstechnik (Raum 1406), HS66, 14.OG.

Zeit: Mi. 17.00 - 18.30 Uhr

Vortragender: Dr.-Ing. Florian Beug, PTB Braunschweig

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Flyer zur Vorlesung "Moderne Speichertechnologien"

Einleitung und Motivation

Die Möglichkeit der Speicherung digitaler Daten bildet die Grundlage der modernen Informationstechnologie. Die Leistungssteigerung von mikroelektronischen Schaltungen der letzten Jahrzehnte ging mit dem steigenden Vermögen einher größere Datenmengen zu speichern. Dabei basieren sowohl der Performance-Gewinn als auch die Steigerung der Fähigkeit Daten zu speichern auf der Verkleinerung der verwendeten Strukturen. Im Bereich der integrierten Schaltungen und Mikroprozessoren beschreibt More's Law die jeweilige Verdopplung der Transistoranzahlen in einem Zyklus von ca. zwei Jahren. Eine mindestens ebenso rasante Steigerung der Speicherdichte für Flash Speicher, wie sie für SD Karten, USB Sticks und Solid-State Drives verwendet werden, sagte der ehemalige Geschäftsführer von Samsung, Jae-sung Hwang, voraus, wobei sich Flash-Speicherdichte ca. alle zwölf Monate verdoppelt (Hwang's Law). Ähnliche Steigerungen der Speicherdichten und letztendlich der Speicherkapazitäten vollzogen sich aber auch bei optischen Speichern, magnetischen Speichern und anderen Typen von Halbleiterspeicher (siehe Flyer zur Vorlesung). Diese rasante Steigerung der Speicherdichten, die wiederum höhere Speicherkapazitäten für einen festgelegten Geldbetrag nach sich ziehen, machten eine Vielzahl von Produkten des digitalen Multimediazeitalters (Digitalkameras, MP3 Player, Tablet Computer, usw.) erst möglich.
Das zugehörige Modul zu den Studiengängen Elektrotechnik und Informations-Systemtechnik in den genannten Wahlbereichen besteht aus der Vorlesung sowie einem Praktikum zur elektrischen Halbleitermesstechnik.

Ziele der Vorlesung

Im Rahmen dieser Vorlesung sollen die Studierenden einen Überblick über die Grundlagen sowie die spezifischen Ausführungsformen heutiger Speichertechnologien zur Informationsspeicherung erlangen. Neben dem grundlegenden Aufbau der Speichersysteme sowie der zugehörigen Materialsysteme, wird auf die detaillierte Funktionsweise der Verschiedenen Speicherarten eingegangen, sowie die Arbeitsweise der zum Betrieb benötigten elektronischen Schaltungen vermittelt.

Inhalt der Vorlesung

Die Vorlesung Moderne Speichertechnologien behandelt die wesentlichen zur Zeit am Markt befindlichen Technologien zur Datenspeicherung und orientiert sich thematisch an sämtlichen Speicherarten, die in einem modernen PC zu finden sind. Dabei wird auf die Funktionsweise von magnetischen Speichern (Magnetbänder und Festplatten), optischen Speichern (CD, DVD und Bluray), sowie verschiedene Arten von Halbleiterspeichern (ROM, SRAM, DRAM, EPROM, EEPROM, Flash) eingegangen. Neben den jeweils benötigten Grundlagen zum Verständnis des anschließend vermittelten typischen Aufbaus der jeweiligen Speichermedien, werden die benötigten Systemkomponenten der Speichermedien behandelt. Dabei wird insbesondere der bisherige Skalierungspfad zur Erhöhung der Speicherdichte der jeweiligen Medien, sowie die mögliche zukünftige Skalierung erörtert. Die Vorlesung endet mit einem Ausblick auf alternative zukünftige Speichertechnologien, die das Potenzial haben die Skalierungseinschränkungen der heutigen Speichertechnologien zu überwinden.

Gliederung der Vorlesung:

- Kapitel 1: Einführung und Geschichte der Informationsspeicherung
- Kapitel 2: Magnetische Speicher
- Kapitel 3: Optische Speicher
- Kapitel 4: Halbleiterspeicher
- Kapitel 5: Alternative Speicherkonzepte

Die Vorlesungsfolien finden Sie auf der Homepage des Instituts unter Lehrmaterial .

Ziele des Praktikumsversuchs elektrische Halbleitermesstechnik

Im Rahmen des Praktikumsversuchs werden die Grundelemente von Halbleiterspeichern untersucht. Dazu sollen elektrische Messungen an MOS-Kondensatoren (MOSCAPs), MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Floating Gate EEPROM Speicherzellen durchgeführt sowie die Ergebnisse ausgewertet werden. Für die Messungen stehen 200 mm Wafer mit Industrie-Teststrukturen zur Verfügung. Die Durchführung der Messungen beinhaltet die Handhabung des BST Probers Suess PA200 für 200 mm Wafer sowie eines Agilent B1500 Semiconductor Parameter Analyzers samt der zugehörigen Mess- und Auswerteprogramme in LabView.

Inhalt des Praktikums elektrische Halbleitermesstechnik

Während des Praktikumsversuchs werden die wichtigsten Bauelemente, die in Halbleiterspeichern Einsatz finden, elektrisch charakterisiert und deren wesentlichen Parameter extrahiert. Wie in der Einleitung zu Kapitel 4 der Vorlesung "Moderne Speichertechnologien" beschrieben, bestehen die Speicherzellen der wichtigsten Halbleiterspeichertypen, wie SRAM, DRAM und nichtflüchtge Speicher (NVM), im wesentlichen aus MOS Feldeffekttransistoren und MOS Kondensatoren. Aus den elektrischen Messungen dieser beiden Bauelementtypen sollen dann typische Größen wie Einsatzspannung, sub-threshold Slope, maximale Transconductance, Flachbandspannung, Oxiddicke und die Substrat-Dotierstoffkonzentration bestimmt werden. Am Ende des Praktikums werden nicht-flüchtige Speicherzellen (EEPROMs) einer Embedded Flash Floating Gate Technologie programmiert und gelöscht und die Spannungsabhängigkeiten dieser beiden Prozesse sowie die maximalen Programmier- und Lösch-Einsatzspannungsbereiche untersucht.

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