重庆大学数电(唐治德版)第9章半导体存储器.ppt

第9章半导体存储器 半导体存储器 简称存储器 是存储大量二进制数据的逻辑部件 它是数字系统 特别是计算机 不可缺少的组成部分 存储器的容量越大 计算机的处理能力越强 工作速度越快 因此 存储器采用先进的大规模集成电路技术制造 尽可能地提高存储器的容量 back 本章介绍常用的半导体存储器的结构 工作原理和使用方法 9 1半导体存储器基础9 2随机存取存储器 RAM 9 3只读存储器 ROM 9 4闪存 FlashMemories 9 5存储器容量的扩展 back 9 1半导体存储器基础 9 1 1半导体存储器的结构框图 存储器由寻址电路 存储阵列和读写电路组成 存储1或0的电路称为存储单元 存储单元的集合形成存储阵列 通常按行列排成方阵 back 二进制数据以信息单位 简称为字 存储在存储阵列中 最小的信息单位是1位 Bit 8位二进制信息称为1个字节 Byte 4位二进制信息则称为1个半字节 Nibble 为便于对每个信息单位 字 进行必要的操作 存储阵列按字组织成直观的存储结构图 back 例如 图9 1 2是一个64位存储阵列分别按8位 4位和1位字组织的存储结构图和存储的示例数据 每个存储单元的位置由行序号和列序号唯一确定 每个字的位置 行序号 称为它的地址 用二进制码表示 An 1 A1A0 列序号表示二进制位在每个字中的位置 例如 按4位组织的 地址为14的字存储单元的信息是1110 back 存储单元的总数定义为存储器的容量 它等于存储器的字数和每字位数之积 例如 10位地址码 每字8位 则存储容量为210Bytes 1024Bytes 1kB 8kbits 计算机存储器的容量通常是512MB 1MB 220B 或 GB 230B back 写操作 亦称为存数操作 输入地址码An 1 A1A0 寻址电路将地址转换成字线上的有效电平选中字存储单元 在片选信号CS有效 通常是低电平 和读写信号为低电平时 读写电路通过存储阵列的位线将数据总线上的m位数据 1 1 0写入选中的字存储单元中保存 设存储阵列按每字m位组织 读操作 亦称为取数操作 输入地址码An 1 A1A0 寻址电路将地址码转换成字线上的有效电平选中字存储单元 在片选信号CS有效 通常是低电平 和读写信号为高电平时 读写电路通过存储阵列的位线 将选中的字存储单元的m位数据输出到数据总线上 1 1 0 设存储阵列按每字m位组织 存储器具有2种基本的操作 写操作和读操作 back 在复杂的数字系统 例如数字计算机 中 多个功能电路间利用一组公共的信号线 导线或其他传导介质 实现互连 并分时传输信息 这样的一组信号线称为总线 对于存储器 数据总线 1 1 0是双向总线 输入 输出 常用表示I O 1 I O1 I O0 而地址总线An 1 A1A0和控制总线 CS 则是单向总线 输入 back 9 1 2半导体存储器的分类 按功能 存储器分为只读存储器 随机读写存储器 或称为存取存储器 和闪存 back 随机读写存储器 RAM 的写操作时间和读操作时间相当 都是纳秒级 工作时能够随时快速地读出或写入数据 即工作时读写存储器具有存入和取出数据2种功能 工作时只能快速地读取已存储的数据 而不能快速地随时写入新数据的存储器称为只读存储器 ROM ReadOnlyMemory 即只读存储器的写操作时间 毫秒级 远比读操作时间 纳秒级 长 数据必须在工作前写入存储器 上电工作后只能从存储器中读出数据 才不影响数字系统的工作速度 闪存 FlashMemory 工作时可以进行读或写操作 但闪存的每个存储单元写操作时间长 不能随机写入数据 适合对众多存储单元批量地写入数据 back 按寻址方式 存储器分为顺序寻址存储器和随机寻址存储器 顺序寻址存储器是按地址顺序存入或读出数据 其存储阵列的存储单元连接成移位寄存器 有先进先出 FIFO FirstInFirstOut 和先进后出 FILO FirstInLastOut 2种顺序寻址存储器 随机寻址存储器 可以随时从任何一个指定地址写入或读出数据的存储器 随机寻址存储器的寻址电路通常采用1个或2个译码器 称为地址译码器 见9 2节 back 采用随机寻址方式的随机读写存储器称为随机存取存储器 RAM RandomAccessMemory 只读存储器 ROM 和闪存也采用随机寻址方式 存储器还可分为易失型存储器和非易失型存储器 如果掉电 停电 后数据丢失 则是易失型存储器 否则 是非易失型存储器 RAM是易失型存储器 而ROM和闪存是非易失型存储器 back 部分存储器的寻址方式和功能归纳如表9 1 1 back 9 2随机存取存储器 RAM 存储单元是存储器的核心 根据存储单元记忆0或1的原理 随机存取存储器分为静态随机存储器 SRAM StaticRAM 和动态随机存取存储器 DRAM DynamicRAM 按所用元件的不同 分双极型和MOS型两种 鉴于MOS电路具有功耗低 集成度高的优点 目前大容量的存储器都是MOS型存储器 back 9 2 1静态随机存取存储器 SRAM 1 SRAM的静态存储单元 SRAM的存储单元是用基本RS触发器记忆0或1的静态存储单元 图9 2 1是六管CMOS静态存储单元和读写电路 back T1 T4构成CMOS基本RS触发器 存储0或1 T5和T6是行字线Xi开关管导通时传递0或1 截止时为高阻态 T7和T8则是列字线Yj back 当Xi Yj 1时 T5 T8导通 将基本RS触发器与读 写电路相连 如果CS 0 则三态门缓冲器G1和G2为高阻态 而G3为工作态 基本RS触发器的状态输出到数据总线上 实现读操作 如果CS 0 则三态门缓冲器G1和G2为工作态 而G3为高阻态 输入电路强制基本RS触发器的状态与输入数据Dk一致 即Q Dk 实现写操作 当CS 1时 三态门缓冲器G1 G2和G3为高阻态 数据总线Dk为高阻态 基本RS触发器既不能输出 也不能接受数据 back 当Xi 0时 T5和T6截止 基本RS触发器不能与读 写电路相连 其状态保持不变 存储单元未被选中 本单元不影响同列的其他存储单元与位线交换数据 当Yj 0时 T7和T8截止 基本RS触发器同样不能与读 写电路相连 其状态保持不变 存储单元同样未被选中 显然 当掉电时基本RS触发器的数据丢失 所以 SRAM是挥发型存储器 back 2 基本SRAM的结构 双地址译码 选中存储单元需要行字线Xi和列字线Yj同时为高电平 back MCM6264 MOTOROLA公司生产的静态随机存取存储器 OE 输出使能 低电平有效 CS 片选信号为 低电平有效 存储容量 8kB 8k 8bit 65536bit 说明 Z 高阻态 O 数据输出 I 数据输入 back 3 SRAM的操作定时 为了保证存储器准确无误地工作 作用到存储器的地址 数据和控制信号必须遵守一定的时间顺序 即操作定时 1 读周期 读操作要求指定字存储单元的地址 片选信号和输出使能有效 读写信号为高电平 信号作用顺序是 1 指定字存储单元的地址有效 2 片选信号和输出使能有效 即由高变低 3 经过一定时间后 指定字存储单元的数据输出到数据总线上 back 2 写周期写操作要求指定字存储单元的地址 片选信号和读写信号有效 对于大多数的SRAM 读周期和写周期相近 一般为几十个纳秒 back 4 同步SRAM和异步SRAM 解决的办法是 SRAM与CPU共用系统时钟 CPU在时钟的有效沿前给出SRAM需要的地址 数据 片选 输出使能和读写信号 时钟有效沿到则将它们存于SRAM的寄存器中 CPU不必等待 可以执行其他指令 直到SRAM完成CPU要求的读或写操作 通知CPU做相应的处理 之后 CPU与SRAM又可以进行下一次信息交换 在计算机中 SRAM通常存储中央处理器 CPU 需要的程序和数据 因为SRAM的工作速度远低于CPU的速度 2者交换信息时CPU必须等待 使计算机达不到理想的工作速度 具有信号同步寄存器的SRAM称为同步SRAM 否则 称为异步SRAM 同步SRAM可以帮助CPU高速执行指令 即提高计算机的工作速度 back 同步SRAM框图如图9 2 6所示 同步SRAM的核心是异步SRAM 地址译码器和存储阵列 同步SRAM与器件外部连接的地址 数据 片选 输出使能和读写信号均在时钟CP的上升沿锁存于寄存器中 供SRAM完成读或写操作 back 为了加速CPU与SRAM的信息交流 同步SRAM通常具有地址爆发特征 即输入一个地址码 同步SRAM可以读或写相邻的多个地址单元 假设计数器实现2位二进制加法计数 初态为00 在爆发控制 BurstControl BC 1时 爆发逻辑电路的输出如表9 2 2所示 因此 可获得4个相邻的地址码 供SRAM进行读或写操作 back 图9 2 7 爆发逻辑电路 9 2 2动态随机存取存储器 DRAM 1 DRAM的动态MOS存储单元 NMOS管T和存储电容CS组成动态存储单元 缺点是 电容不能长期保持其电荷 必须定期 大约8 16个mS内 补充电荷 称为刷新操作 比SRAM操作复杂 back 单管动态存储单元的工作原理如下 1 写操作当Xi 1 Refreh 0和时 G1处于工作态 G2和G3处于高阻态 NMOS管T导通 如果Din 1 则存储电容CS充电 获得足够的电荷 实现写1操作 如果Din 0 则存储电容CS放电 电荷消失 实现写0操作 back 2 读操作当Xi 1 Refreh 1和时 G1处于高阻态 G2和G3处于工作态 NMOS管T导通 如果存储电容CS有电荷 经灵敏放大缓冲器G2输出1 Dout 1 实现读1操作 如果存储电容CS没有电荷 则位线电压不变 灵敏放大缓冲器G2输出0 Dout 0 实现读0操作 back 由于电容不能长期保持电荷 所以必须对存储电容定期刷新 如前所述 读操作自动刷新选定的存储单元 但是 读操作是随机的 所以 在DRAM中 必须设置刷新定时电路 定时启动刷新周期 3 刷新操作 back 2 基本DRAM的结构 存储单元是图9 2 8所示的单管动态存储单元 排列成1024行 1024列的存储阵列 地址位数多 通常采用时分复用输入地址 高10位地址码A19 A10首先输入到10条地址信号线上 back 3 基本DRAM的读写周期 从读或写周期开始 RAS和CAS依次变低将行地址和列地址顺序送入DRAM并译码 随后 在读周期中 有效数据输出到Dout 在写周期中 输入数据通过Din写入到指定单元中保存 back 4 DRAM的类型 除前述的基本DRAM外 为了提高DRAM的访问速度 出现了快速页模式DRAM FPMDRAM FastPageModeDRAM 扩展数据输出DRAM EDODRAM ExtendedDataOutputDRAM 爆发式扩展数据输出DRAM BEDODRAM BurstExtendedDataOutputDRAM 和同步DRAM SDRAM SynchronousDRAM back 对于FPMDRAM 输入一个行地址 其后可输入多个列地址 它们和行地址分别组成全地址 选中字存储单元并进行读或写操作 以读操作为例 操作时序如图9 2 11 注意 在FPMDRAM中 当列地址选通信号CAS无效时 没有输出数据 见图9 2 11的倒数第二行波形 扩展数据输出DRAM EDODRAM 可以扩展输出数据的有效时间 直到CAS再次有效为止 如图9 2 11的最后一行波形 back 9 3只读存储器 ROM ROM最突出的特征是掉电后数据不丢失 用于存储数字系统中固定不变的数据和程序 ROM分为掩模ROM MaskROM 和可编程ROM PROM ProgrammableROM MaskROM的数据是制造过程中写入的 可永久保存 但使用者不能改写 PROM的数据则是由使用者通过编程工具写入的 ROM的寻址方式与RAM相同 采用随机寻址 即用地址译码器选择字存储单元 ROM可以用双极型或单极型 MOS 元件实现 back 9 3 1掩模只读存储器 MaskROM 1 掩模只读存储器的存储单元 在图 a 中 T的栅极与字线Xi相连 当Xi 1 OE 0时 T导通 位线为低电平 G为工作态 DOUT 1 存储单元记忆1 在图 b 中 T的栅极与字线Xi不相连 当Xi 1 OE 0时 T不导通 位线为高电平 G为工作态 DOUT 0 存储单元记忆0 掩模只读存储器的存储单元用半导体元件的有或无表示1或0 back 0 1 1 0 2 掩模只读存储器的结构 图中地址译码器输出高电平有效 在存储阵列中 字线与位线的交叉处是存储单元 有元件为1 无元件为0 存储器的数据输出变量是数据为1所对应的地址变量组成的最小项的逻辑和 back 9 3 2可编程只读存储器 PROM 掩模ROM的存储数据由制造商在生产过程中写入 对系统设计者开发新产品很不方便 因此 出现了由用户写入数据的可编程ROM PROM 可编程ROM分为可改写一次的PROM 沿用PROM的名称 和可反复改写的EPROM ErasableProgrammableROM 用紫外光擦除的EPROM记为UVEPROM UltravioletEPROM 常简记为EPROM 用电方法擦除的EPROM记为EEPROM或E2PROM ElectricalEPROM back 1 PROM的存储单元 PROM的存储单元由一个NMOS管和一个熔丝组成 在编程过程中 编程器产生足够大的电流注入欲写0单元 烧断熔丝 写1单元则不注入电流 正常工作时 熔丝不会被烧断 因此 保留熔丝的单元存储1 烧断熔丝的单元存储0 由于烧断的熔丝不能修复 故PROM只能编程一次 back 有元件为1 无元件为0 2 UVEPROM的存储单元 可多次编程的EPROM必须采用可修复的元件 UVEPROM使用的可修复的元件是有两个栅极的叠栅雪崩注入MOS管 SIMOS 浮栅上未注入负电荷前 SIMOS管的开启电压低 正常的栅源电压可使SIMOS管导通 在浮栅上注入足够的负电荷后 开启电压增加 正常的栅源电压则不能使SIMOS管导通 back 控制栅极 浮栅上无电荷时 字线高电平使SIMOS导通 等效为存储单元有元件 存储1 浮栅上有负电荷时 字线高电平不能使SIMOS导通 等效为存储单元无元件 存储0 因此 SIMOS管是用浮栅上是否有负电荷来存储二值数据的 UVEPROM出厂时浮栅上无电荷 为了在浮栅上注入电荷 控制栅极和漏极对源极同时作用比正常电源电压高许多的电压 UVEPROM的封装顶部有一个石英窗 紫外光可直接照射到SIMOS管上 照射15到20分钟后 浮栅上的电子获得足够的能量 穿过SiO2回到衬底中 back 3 E2PROM的存储单元 E2PROM也是利用浮栅上是否有负电荷来存储二值数据的 与SIMOS管的区别是 隧道MOS管的漏区与浮栅之间有一个极薄的SiO2交叠区 厚度约80 埃 当控制栅加足够大的电压时 交叠区产生很强的电场 电子穿过交叠区到达浮栅 注入电子 这种现象称为隧道效应 隧道效应是双向的 即漏栅间加前述相反的电压 则电子离开浮栅 擦除电子 隧道MOS管的电子注入和擦除是在漏极与控制栅极之间利用隧道机理进行的 这个特点和存储单元的结构决定了E2PROM只能以字为单位改写数据 back 隧道 9 4闪存 FlashMemories 闪存的结构和ROM相同 结构也和ROM相同 9 4 1闪存的存储单元 闪存MOS管的结构与SIMOS相似 但有2点不同 一是浮栅与衬底间的SiO2厚度不同 SIMOS厚 30 40nm 闪存MOS管薄 10 15nm 二是闪存MOS管的源极和漏极的N 区不对称 漏区小 源区大 浮栅与源区交叠 形成比EEPROM的隧道MOS管更小的隧道区 因此 闪存的擦除和注入电压小 由于存储阵列的闪存MOS管的源极全部连接在一起 利用隧道效应 可以实现众多存储单元的批量擦除 back 隧道 9 4 2闪存的特点和应用 理想的存储器具有大容量 非易失 在系统读写能力 较高的操作速度和低成本等特点 ROM PROM UVEPROM EEPROM SRAM和DRAM 在前述的某些方面各具有一定优势 只有闪存综合具有理想存储器的特点 只是在写入速度方面比SRAM和DRAM差 写入速