半导体存储器.ppt

1 第七章半导体存储器 本章的重点 1 存储器的基本工作原理 分类和每种类型存储器的特点 2 扩展存储器容量的方法 3 用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法 因为存储器几乎都作成LSI器件 所以这一章的重点内容是如何正确使用这些器件 存储器内部的电路结构不是课程的重点 本章的难点 在本章的重点内容中基本没有难点 2 预备知识 字 在计算机中 作为一个整体单元进行存取和处理的一组二进制数 每位计算机字的二进制数的位数是固定的 字节 把一个8位的二进制数据单元称为一个字节 通常用字母B表示 字长 一个字中包含二进制数位数的多少称为字长 字长是标志计算机精度的一项技术指标 KB即为K字节1K 210 1024BMB即为M字节1M 220 1024KGB即为G字节1G 230 1024M 位 计算机只认识由0或1组成的二进制数 二进制数中的每个0或1就是信息的最小单位 称为 位 bit 也称为二进制的位或称字位 3 第七章半导体存储器 第一节概述 存储器 存储大量二值信息 或称为二值数据 的半导体器件 用途 在计算机或数字系统中存储数据 与寄存器的区别 以字为单位存取 每字包含若干位 各个字的相同位通过同一引脚与外界联系 每个字分配一个地址 因此内部有地址译码器 4 分类 掩模ROM 可编程ROM PROM 可擦除可编程ROM EPROM 随机存储器RAM 静态存储器SRAM 动态存储器DRAM 按功能 Read OnlyMemory RandomAccessMemory ProgrammableROM ErasablePROM UVEPROM EEPROM 只读存储器ROM FlashMemory Ultra Violet Electrically 电可擦除 紫外线擦除 StaticRAM 快闪存储器 DynamicRAM 只能读出不能写入 断电不失 还可以按制造工艺分为双极型和MOS型两种 主要指标 存储容量 存取速度 存储容量 用字数 位数表示 也可只用位数表示 如 某动态存储器的容量为109位 片 5 第二节只读存储器ROM 一 掩模只读存储器 又称为固定ROM 工厂按用户要求生产出来后 用户不能改动 1 ROM的构成 存储矩阵 由若干存储单元排列成矩阵形式 储存单元 可由二极管 双极性三极管或MOS管构成 地址译码器 根据地址输入 在存储矩阵中选出指定的字对应的单元 把数据送往输出缓冲器 输出缓冲器 增加带负载能力 同时提供三态控制 以便和系统的总线相连 存取速度 用完成一次存取所需的时间表示 高速存储器的存取时间仅有10ns左右 6 2 工作原理 按组合电路进行分析 二 四线译码器 A1 A0的四个最小项 字线 存储矩阵是四个二极管或门 D1 D3 A0 真值表 真值表与存储单元有一一对应关系 位线 7 二 可编程只读存储器PROM 用MOS工艺制造的ROM的存储矩阵如图 或非门 产品出厂时存的全是1 用户可一次性写入 即把某些1改为0 但不能多次擦除 存储单元多采用熔丝 低熔点金属或多晶硅 写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断 编程时VCC和字线电压提高 8 16字 8位的PROM 十六条字线 八条位线 读出时 读出放大器AR工作 写入放大器AW不工作 写入时 在位线输入编程脉冲使写入放大器工作 且输出低电平 同时相应的字线和VCC提高到编程电平 将对应的熔丝烧断 缺点 不能重复擦除 9 三 可擦除的可编程只读存储器 EPROM 一 紫外线擦除的只读存储器 UVEPROM 是最早出现的EPROM 通常说的EPROM就是指这种 1 使用浮栅雪崩注入MOS管 Floating gateAvalanche InjuctionMOS 简称FAMOS管 写入 管子原来不导通 在漏源之间加上较高电压后 如 20V 漏极PN结雪崩击穿 部分高速电子积累在浮栅上 使MOS管导通 擦除 用紫外线或X射线擦除 需20 30分钟 浮栅上电荷可长期保存 在125 环境温度下 70 的电荷能保存10年以上 存储单元如图 缺点 需要两个MOS管 编程电压偏高 P沟道管的开关速度低 10 2 使用叠栅注入MOS管SIMOS Stacked gateInjuctionMOS 用N沟道管 增加控制栅 SIMOS管原来可导通 开启电压约为2V 注入电荷 在DS间加高电压 同时在控制栅加25V 50mS宽的脉冲 由于控制栅上有电压 所以需要的漏源电压相对较小 注入电荷后其开启电压达7V 不能正常导通 存储单元如下页图 256字X1位 已注入电荷的SIMOS管存入的是1 构造 11 这是一种双译码方式 行地址译码器和列地址译码器共同选中一个单元 每个字只有一位 二 电可擦除EPROM EEPROM或E2ROM 用紫外线擦除操作复杂 速度很慢 必须寻找新的存储器件 使得可以用电信号进行擦除 使用浮栅隧道氧化层MOS管Flotox FloatinggateTunnelOxide 12 特点 浮栅与漏区间的氧化物层极薄 20纳米以下 称为隧道区 当隧道区电场大于107V cm时隧道区双向导通 当隧道区的等效电容极小时 加在控制栅和漏极间的电压大部分降在隧道区 有利于隧道区导通 存储单元 擦除和写入均利用隧道效应 10ms 13 快闪存储器就是针对此缺点研制的 三 快闪存储器 FlashMemory 采用新型隧道氧化层MOS管 EEPROM的缺点 擦写需要高电压脉冲 擦写时间长 存储单元需两只MOS管 1 隧道层在源区 2 隧道层更薄 10 15nm 在控制栅和源极间加12V电压即可使隧道导通 该管特点 14 存储单元的工作原理 1 写入利用雪崩注入法 源极接地 漏极接6V 控制栅12V脉冲 宽10s 2 擦除用隧道效应 控制栅接地 源极接12V脉冲 宽为100ms 因为片内所有叠栅管的源极都连在一起 所以一个脉冲就可擦除全部单元 3 读出 源极接地 字线为5V逻辑高电平 6V 0V 0V 快闪存储器特点 集成度高 容量大 成本低 使用方便 已有64兆位产品问世 很有发展前途 5V 15 第三节随机存储器 RAM 一 静态随机存储器SRAM 特点 RAM在工作时可随时对任意指定单元进行读或写操作 使用方便 灵活 但切断电源后 所存信息就会丢失 分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种 也可称为读写存储器 一 RAM的结构 1 存储矩阵 2114 2 地址译码 双译码 3 读写控制电路 六管单元 控制I O端是否处在高阻状态 控制电路处于读出还是写入状态 16 1024字 4位 2114 SRAM结构 17 二 静态RAM的存储单元 1 六管NMOS静态存储单元 六管NMOS 2 六管CMOS静态存储单元 3 双极型静态存储单元 18 利用MOS管栅极电容可以暂存电荷的原理制成 因此 存储单元简单 存储容量大 但栅极电容很小 由于漏电的影响 电容电荷保存时间很短 必须定时给电容充电 刷新 再生 这就需要外围电路配合 这里只介绍四管动态存储单元 二 动态随机存储器DRAM 读出 这也是刷新过程 如果使Y信号也有效 就能读出了 写入 跟静态存储器类似 19 第四节存储器容量的扩展 一 位扩展方式 方法 所有输入信号都并联 地址信号 片选信号和读写信号 输出并列 需要片数N 8 例 用1024字 1位RAM构成1024字 8位RAM 20 二 字扩展方式 例 用256字 8位RAM组成1024字 8位存储器 需要片数N 4 特点 必须使用译码器 各片地址分配情况 字扩展图 当要求字和位都扩展时 重复使用字扩展的电路 但译码器只用一个 21 22 第五节用存储器实现组合逻辑函数 ROM的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的 因此可以用来实