第7章半导体存储元件

只读存取存储器 ROM 随机存取存储器 RAM 概述 7 1概述 触发器 存储1位二进制信息 寄存器 存储1组二进制信息 存储器 存储信息量比寄存器大的多 把成千上万个存储单元按一定规则组合起来 并辅以必要的控制电路 形成一个存储阵列 这就是半导体存储器 半导体存储器的特点 集成度高 体积小 可靠性高 价格低 外围电路简单且易于接口 便于批量生产等 7 1 2半导体存储器的分类 按制造工艺分 双极型和MOS型 速度快 功耗大 价格高 主要用于对速度要求较高的场合 高速缓存用 集成度高 功耗低 价格低 大容量存储器都是用MOS工艺制作的 内存 按存取功能分 顺序存取存储器 随机存取存储器和只读存储器三类 顺序存取存储器 SAM SequentialAccessMemory 对信息的存入或取出是按顺序进行的 具有 先入先出 或 先入后出 的特点 随机存取存储器 RAM RandomAccessMemory 可在任何时刻随机地对任一个存储单元直接存取信息 只读存储器 ROM ReadOnlyMemory 只读存储器所存储的信息是事先被固化在存储器中的 其信息可以长期保存 断电也不丢失 7 2只读存储器 ROM 7 2 1ROM的分类 只读存储器可分为以下四类 固定ROM 或称掩膜ROM 可编程ROM PROM 紫外线可擦除ROM EPROM 电可擦除可编ROM E2PROM 快闪存储器 FlashMemory 只读存储器ROM ReadOnlyMemory 在存入数据后一般不能用简单的方法将其更改 并且具有掉电后信息不丢失的特点 存储阵列是以字来组织内部结构的 字 若干个二进制存储单元构成一个字 字长 一个字中所含二进制数的位数称为字长 容量 存储容量等于字数乘以字长 2048 8 表示这个RAM芯片有2048个字 每个字的字长是8位 则它的容量为16384位存储单元 存储器的字数常以1024的倍数来表示 并把1024称为1K 2K 8 2KB 1 固定只读存储器 ROM ROM的基本结构 二极管ROM的结构图 多少个字 字长为多少 1 固定只读存储器 ROM 二极管ROM的结构图 读出数据时 首先输入地址码 并使三态输出有效 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 有二极管时 相当于在此存储单元中存 1 否则为 0 字线与位线的交叉处相当于一个存储单元 固定只读存储器 ROM 二极管ROM的结构图 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 有二极管时 相当于在此存储单元中存 1 否则为 0 1 图8 5二极管ROM 图8 6字的读出方法 在对应的存储单元内存入的是1还是0 是由接入或不接入相应的二极管来决定的 固定ROM特点 内部信息在芯片制造时由厂家写入用户对这类芯片无法进行任何修改 掩膜ROM可用二极管构成 也可用双极型管或MOS管构成 AB F AB ABC F AC ABC F F A C C 输入缓冲器 A A 点阵形式 与阵列 或阵列 为了便于表达和设计 通常用点阵形式 在编程前 存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的 即每个单元存储的都是1 用户可根据需要 借助一定的编程工具 将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断 该单元存储的内容就变为0 此过程称为编程 熔丝烧断后不能再接上 故PROM只能进行一次编程 2 可编程只读存储器 PROM PROM的可编程存储单元 编程前的PROM 存储矩阵 字线 位线 1 二极管PROM的结构示意图 7 2只读存储器 ROM 2 各类PROM的存储单元 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 编程后的PROM 7 2只读存储器 ROM 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 地址译码器 阵列逻辑图 存储容量 23 3 例1已经编程的ROM如图所示 1 该ROM的容量为多少 2 地址001 010 101 111存储的数据是什么 存储容量 23 4 F4F3F2F1 0100 F4F3F2F1 1010 F4F3F2F1 0001 F4F3F2F1 1000 3 紫外线可擦除ROM EPROM 存储单元采用叠栅注入MOS管 写 0 写 1 4 电可擦除ROM E2PROM 存储单元采用浮栅隧道氧化层MOS管 它与叠栅MOS管的不同之处在于浮栅延长区与漏区N 之间的交叠处有一个厚度约为8nm的薄绝缘层 当漏极接地 控制栅格GC加上足够高的电压时 交叠区将产生一个很强的电场 在强电场作用下 电子通过绝缘层到达浮栅Gf 使浮栅带负电荷 这一现象称为 隧道效应 因此 该MOS管也称为隧道MOS管 相反 当控制管接地 漏极加一正电压 则产生与上述相反的过程 即浮栅放电 5 快闪存储器 FlashMemory 快闪存储器中的叠栅MOS管 1 快闪存储器存储单元MOS管的源极N 区大于漏极N 区 而SIMOS管的源极N 区和漏极N 区是对称的 2 是浮栅到P型衬底间的氧化绝缘层比SIMOS管的更薄 5 快闪存储器 FlashMemory 快闪存储器中的叠栅MOS管 写入采用雪崩注入方式使浮栅充电 擦除采用栅源接 12v电源产生隧道效应 电荷经隧道释放 图7 2 14快闪存储器的存储单元 返回 7 2 3ROM存储容量的扩展 当一片ROM不能满足存储容量需要时 就得将若干片ROM组合起来 扩展成满足存储容量要求的存储器 ROM的扩展分为字扩展和位扩展 用1K 4ROM扩展成1K 8位存储器 用1K 4ROM扩展成2K 4位存储器 用1K 4ROM扩展成2K 8位存储器 1 位扩展 字长扩展 若只需扩展位数不需扩展字数时注意事项 1 把若干片位数相同的RAM芯片地址线共用 3 每个RAM片的I O端并行输出 五 ROM容量的扩展 1 字长的扩展 位扩展 现有型号的EPROM 输出多为8位 下图是将两片2764扩展成8k 16位EPROM的连线图 用8片2764扩展成64k 8位的EPROM 2 字数扩展 地址码扩展 A A O O O CS OE 0 0 12 7 OE 0 A A 12 D D 7 0 O 0 12 0 A 7 O OE A CS O O 0 12 0 A 7 O OE A CS O A A Y Y G G 0 0 A 1 2 G 1 7 Y 1 2764 2764 2764 74LS138 U1 U2 U8 5V A A A 13 14 15 2A 2B 13 13 13 13 8 8 8 8 地址总线 数据总线 解 1 写出各函数的标准与或表达式 按A B C D顺序排列变量 将Y1 Y2 Y4扩展成为四变量逻辑函数 2 实现任意组合逻辑函数 例 试用ROM实现下列函数 2 选用16 4位ROM 画存储矩阵连线图 7 3RAM 存储矩阵 三组输入信号 地址输入 控制输入和数据输入一组输出信号 数据输出大容量RAM数据输入 输出合为双向端口 7 3 1RAM的结构 图中的每个地址译码选通时有四个存储单元同时输入 输出 存储器容量为256字 4位 1024bit 1 存储器存储矩阵结构 3 RAM的存储单元 例 六管NMOS静态存储单元 1 写入过程 例如写入 1 2 读出过程 例如读出 1 T1 T2为NMOS非门 T3 T4也为NMOS非门 两个非门交叉连接组成基本触发器存储数据 T5 T6为门控管 T7 T8是每一列共用的门控管 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 动态存储单元 利用触发器保存数据写入时在D和 D上加上反相信号 引起触发器的翻转即可数据读出非破坏性 一次写入 可以反复读出存储单元占用管元多 每比特面积大 功耗高 动态存储单元 利用栅级电容上的存储电荷保存数据写入过程是给电容充电或放电的过程破坏性读出存储单元管元少 面积小 功耗低 利于海量存储需要刷新时序控制 存储单元特点比较 静态存储单元 7 1 1RAM的结构 利用触发器保存数据写入时在D和 D上加上反相信号 引起触发器的翻转即可数据读出非破坏性 一次写入 可以反复读出存储单元占用管元多 每比特面积大 功耗高 动态存储单元 利用栅级电容上的存储电荷保存数据写入过程是给电容充电或放电的过程破坏性读出存储单元管元少 面积小 功耗低 利于海量存储需要刷新时序控制 存储单元特点比较 静态存储单元 7 1 1RAM的结构 片选及输入 输出控制电路 当选片信号CS 1时 G5 G4输出为0 三态门G1 G2 G3均处于高阻状态 输入 输出 I O 端与存储器内部完全隔离 存储器不工作 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 256 1位RAM结构示意图 1024 4位RAM 2114 结构示意图 6 3 3RAM存储容量的扩展 当一片RAM不能满足存储容量需要时 就得将若干片RAM组合起来 扩展成满足存储容量要求的存储器 RAM的扩展分为字扩展和位扩展 用1K 4RAM扩展成1K 8位存储器 用1K 4RAM扩展成2K 4位存储器 用1K 4RAM扩展成2K 8位存储器 用1K 1RAM扩展成1K 8位存储器 1 位扩展 字长扩展 若只需扩展位数不需扩展字数时注意事项 1 把若干片位数相同的RAM芯片地址线共用 3 每个RAM片的I O端并行输出 用8片1K 1位RAM构成的1K 8位RAM系统 1024 1RAM R W CS A R W I O I O 如 N