数字电路08第七章半导体存储器

.,第七章半导体存储器,7.1概述,半导体存储器是固态存储器SSD(SolidStateDrives)，具有存储密度高，体积小，容量大，读写速度快，功耗低等优点!,.,分类：,掩模ROM,可编程ROM(PROM-ProgrammableROM),可擦除可编程ROM(EPROM-ErasablePROM),随机存储器RAM(RandomAccessMemory),静态存储器SRAM(StaticRAM)主要用于高速缓存和服务器内存,动态存储器DRAM(DynamicRAM),按功能特点,EEPROM(ElectricallyEPROM)/E2PROM,只读存储器ROM(Read-OnlyMemory),FlashMemory(快闪存储器，如U盘),FRAM(Ferro-electricRAM铁电存储器),SDRAM,DDR-RAM等,非挥发存储器（Non-VolatileMemory-NVM）,挥发存储器（VolatileMemory-VM）或者称易失存储器,.,1.ROM的构成,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。,7.2.1掩模只读存储器,7.2只读存储器ROM,存储单位:字,.,2.工作原理,ROM是组合逻辑电路,d3=W1+W3=A1A0+A1A0,.,3.看待ROM（存储器）的三个不同的角度组合逻辑查找表(Look-uptable)译码编码的过程,真值表输入变量输出变量,D0Dm,.,4.数据与存储矩阵对应关系,存储器的容量:字数x位数,存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元”，存储单元中有器件存入“1”，无器件存入“0”,.,编程时VCC和字线电压提高,写入时，要使用编程器,7.2.2可编程只读存储器PROM,.,7.2.3可擦除可编程只读存储器一、EPROM(UVEPROM-UltraViolet)SIMOS:Stacked-gateInjectionMOS;叠栅注入MOS,浮置栅极为氮化物是可以存储电荷的电荷势阱,行列地址译码器,.,导通状态:浮栅上没有电荷时,加控制栅电压VT(5V)时,导通,存”0”,截止状态:浮栅上带有负电荷时,使得MOS管的开启电压变高,加控制栅电压VT时,截止,存”1”,浮栅MOS管电流传输特性,2.存储原理,VT1VTVT2,.,(1)擦除用紫外线或X射线，距管子2厘米处照射1520分钟；阳光下1周，荧光灯下3年。,3.编程原理：先擦除，再写入(编程),(2)写入1.源漏极加高压(+20V+25V),发生雪崩击穿2.在控制栅极Gc上加高压(+25V,50ms)吸引高速电子穿过SiO2到达浮栅，这个过程称为Hotcarrierinjection书上称为雪崩注入,见备注,.,二、EEPROM/E2PROM浮栅隧道氧化层MOSFlotoxMOS:FloatinggateTunnelOxideMOS,存储原理：Gf存电荷前,正常控制栅极电压3V下,T1导通,存0Gf存电荷后,正常控制栅极电压3V下,T1截止,存1,T2为了提高擦、写的可靠性T1为实现数据存储的存储管,.,EEPROM的编程过程：先擦除，再编程！(1)擦除就是给浮栅的充电，相当于写“1”(2)写入就是将需要写“0”的单元的栅极放电,写1(擦除/充电):Wi和Gc加20V、10ms的正脉冲Bj接0，电子通过隧道区从漏极进入浮置栅极Gf,写0(写入/放电):Gc接0，Wi和Bj加20V10ms的正脉冲,电子通过隧道区从浮置栅极Gf向漏极释放,区别于EPROM的hot-electroninjection这种称为tunnelinjection书上称为隧道效应或称隧道注入,有兴趣可以参考,.,三、快闪存储器FlashMemory按结构又分为NORFlash和NANDFlash。基本单元为SIMOS-叠栅注入MOS，特点是浮栅Gf与衬底间SiO2更薄1015nm(相比EPROM的3040nm,E2PROM的20nm)，Gf与源极S有极小的重叠区，即隧道区。下面主要指的是NORFlash。,存储单元相对于EEPROM，只需要一个MOS管，结构简单，集成度高，成本低。因为MOS管的源极是连在一起的，所以擦除时按固定大小的存储容量(典型为128-512kbits)整体擦除，所以叫FlashMemory，用来形容擦除速度快。,.,擦除（写0）类似E2PROM，基于隧道效应,写入（写1）类似EPROM，为雪崩注入,和E2PROM相比，需要电压明显减小，这源于更薄的SiO2绝缘层。FlashROM具有在系统可编程(ISP,In-SystemProgrammability)的能力。在许多场合，FlashROM也被直接称为E2PROM.,NORFlash的擦除和写入（编程）,NANDFlash的擦除和编程都基于隧道效应,.,NANDFlash的擦除和写入（编程）,.,NORFlash同一位线上的单元是并联的关系，逻辑上为或非逻辑NOR指的就是或非逻辑的意思,NANDFlash同一位线上的单元是串联的关系，逻辑上为与非逻辑NAND指的就是与非逻辑的意思,.,NORFlash结构,NANDFlash结构,.,NORFlash和NANDFlash的比较:,1.擦除和写入方式相同：按块擦除和写入；2.存储单元的连接方式不同，或非和与非；3.读出方式不同:NOR是线性编址，可以按字节随机访问；而NAND是分了块页字节三个地址寻址，只能按块读取。显然NOR接口简单,存取单位为字节,可以随机访问;而且具有XIP的功能（eXecuteInPlace，本地执行），常用来存放程序代码；4.NOR寿命短（10万次），NAND（100万次）；因为XOR的擦除基于隧道注入，而写入基于雪崩注入，它们是不对称操作，加速了存储单元老化的速度。5.NOR写入和擦除速度慢,存储密度低,成本高；NAND相反,所以现在的U盘等便携存储用的是NANDFlash。,.,虽然，ROM可读也可写，但写入速度慢，另外写入或擦除操作是有损操作，SIO2绝缘层很薄，随着写操作次数增加，也在不断损耗，一旦绝缘层彻底击穿，将不能再编程。所以可写ROM的编程次数都是有限的，典型次数为100万次(NANDFlash)。,U盘往往内部包括了微处理器（右侧芯片）和Flashmemory（主要是NANDFlash），之所以可以在比较低的单电源条件下工作，因为芯片内部往往有电荷泵（chargepump）用于提升电压，以满足在擦除和写入时对高电压的要求。,.,MLC(Multi-LevelCell)vsSLC(Single-LevelCell),ASingle-LevelCell,SLC,memorycardstoresonebitineachcell,leadingtofastertransferspeeds,lowerpowerconsumptionandhighercellendurance.TheonlydisadvantageofSingle-LevelCellisthemanufacturingcostperMB.Basedonthat,theSLCflashtechnologyisusedinhigh-performancememorycards.AMulti-levelCell,MLC,memorycardstorestwoormorebitsineachcell.Bystoringmorebitspercell,aMulti-LevelCellmemorycardwillachieveslowertransferspeeds,higherpowerconsumptionandlowercellendurancethanaSingle-LevelCellmemorycard.TheadvantageofMulti-LevelCellmemorycardisthelowermanufacturingcosts.TheMLCflashtechnologyisusedmostlyinstandardmemorycards.TheMulti-BitCell,MBC,isasimilartechnologytotheMulti-LevelCellbutstoresonlytwobitspercell.,.,见备注,.,Kingston1GSDcard,左侧为三星K9G808U0MMLCFlashROM2bits/cell右侧为SD控制芯片,.,四、FeRAM/FRAM(Ferro-electricRAM),Ramtron公司在1992年下半年开始生产供销售的铁电存储器。器件:FM18L08256kBBytewideFRAMMemory(一)相对于EEPROM和Flash优势之处1.铁电存储器的读写速度更快。与其它存储器相比，铁电存储器的写入速度要快10万倍以上。读的速度同样也很快，和写操作速度上几乎没有太大区别。2.FRAM存储器可以无限次擦写，而EEPROM只能进行100万次擦写。3.铁电存储器所需功耗远远低于其他非易失性存储器。,.,(二)FRAM原理FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时,晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振(电)极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件(诸如磁场因素)的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。,.,FRAM晶体结构,.,(三)FRAM存储单元结构类似DRAM,FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。,.,前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”(2T2C)，每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图(a)所示。2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”(1T1C)存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构(未画出公共参考位)如图(b)所示。,(a),(b),位线(数据位)位线(参考位),位线(数据位),字线,字线,.,(四)FRAM的读/写操作FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场(即对电容充电)，如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰。把这个充电波形同参考位(确定且已知)的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变(这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同)。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充电”(pre-charge)过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns,加上“预充”时间60ns,一个完整的读操作时间约为130ns。写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。,.,7.3随机存储器（RAM）,7.3.1静态随机存储器SRAM（一）RAM的结构,分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种。,(2)片选信号CS:控制I/O端是否处在高阻状态。,(1)读写控制信号R/W:控制电路处于读出,还是写入状态。,.,1.六管NMOS静态存储单元,（二）静态RAM的存储单元,.,Cellsizes(m/bitormm/Mbit),.,7.3*DRAM:四管动态MOS存储单元,T1T2交叉连接作存储器用，数据以电荷的形式存储在T1T2的寄生电容C1和C2上，而C1和C2上的电压又控制着T1T2的导通或截止，产生位线B和B上的高、低电平。C1被充电，且使C1上的电压大于开启电压，同时C2没被充电，T1导通、T2截止。VC1=Q=1，VC2=Q=0，存储单元存0状态。,动态存储单元是利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理,.,动态存储单元的电路结构还可以更简单，进一步提高存储密度，降低成本,单管电路,.,DRAM芯片组成的内存模块,.,7.4存储器容量的扩展,7.4.1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);输出各自独立。,需要片数N=8,例：用1024字1位RAM芯片构成1024字8位RAM存储器,.,例：用256字8位RAM芯片组成1024字8位存储器。,需要片数N=4,7.4.2字扩展方式,.,各片地址分配情况：,当要求字和位同时扩展时，先字扩展或先为扩展都可以，最终结果都是一样的。,.,7.5用存储器实现逻辑函数,1.ROM的地址输出为二进制译码，既输出为地址变量的最小项2.存储矩阵根据其存储内容，实现数据输出为各最小项的或运算,.,例7.5.1用ROM实现由8421-BCD码到八段显示器的译码器。,.,.,ROM的简化表示方法。,都转换为4变量函数,.,题7-3某台计算机内存设置为32位地址线，16位并行数据输入/输出，问其最大存储量是多少？,最大存储容量23216b（bit，比特）236b233B（Byte字节）223kB213MB23GB8GB,寻址能力或寻址空间是系统性能参数之一,第7章习题,.,题7-4试用4片4k8位的RAM芯片组成16k8位的RAM存储器。,.,题7-5试用4片2114(10244的RAM芯片)和3-8译码器74LS138实现40964位的RAM存储器。,注意74138的使用！,.,LGS(GM)SDRAMGM72V661641CT7J-GM7=LGS:LuckyGo