第九章-半导体存储器PPT课件

第9章半导体存储器,9.1概述,主要由与阵列、或阵列、输出缓冲级等部分组成，为大规模组合逻辑电路。,二、半导体存储器的类型与特点,只读存储器(ROM，即Read-OnlyMemory),随机存取存储器(RAM，即RandomAccessMemory),主要由地址译码器、存储矩阵、读/写控制电路等部分组成，为大规模时序逻辑电路。,一、半导体存储器的作用,存放二进制信息,ROM是只读存储器，在正常工作时，其内存数据只能读出，而不能写入。但断电后其内部数据不会丢失。常用于存放一些不变的数据，如一些重要的常数、系统管理程序等。,RAM是随机存取存储器，既能读出信息又能写入信息。但断电后其数据将丢失。它用于存放一些临时数据和中间处理数据结果，如计算机内存。,9.2只读存储器（ROM）,按数据写入方式不同分,其存储数据在制造时确定，用户不能改变。用于批量大的产品。,其存储数据由用户写入。但只能写一次。,用户可以多次改写存储的数据。,ROM的类型及其特点,9.2.1ROM的电路结构,由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器组成,存储器的存储容量为2nm字位。,1.电路组成,9.2.2固定ROM的工作原理,一、二极管ROM,1.电路组成,一、二极管ROM,9.2.2固定ROM的工作原理,W3W0中任一个输出高电平时，则在D3D04条线上输出一组4位二进制代码，每组代码表示一个字。,2.读数,一、二极管ROM,9.2.2固定ROM的工作原理,可见：(1)交叉处接有二极管的相当于存储1，没有接二极管的相当于存储0。(2)当某字线被选中时，相应存储单元数据从位线D3D0输出。,交叉点的数目表示存储器存储容量。存储容量字数位数,存储矩阵可简化表示为,字线数,位线数,3.输出逻辑表达式,由此可看出，D3D0都为最小项之和。最小项由译码器产生，而和项由或门产生。因此，二极管ROM是由译码器的与阵列和存储矩阵的或阵列级联而成的。,二、MOS管ROM,有二极管的地方对应换成了NMOS管。,PROM出厂时，全部熔丝都连通，全部存储单元相当于存储1。用户在编程时，可根据要求，借助编程工具将不需要存储单元中的熔丝烧断即可。,熔丝烧断后不可恢复，故PROM只能进行一次性编程。,9.2.3可编程只读存储器(PROM),一、PROM的电路结构,由于PROM中的地址译码器为固定的与阵列，输出为输入地址变量的全部最小项。存储矩阵为可编程的或阵列，它输出的为相应的输入最小项的和，为标准与-或表达式。而任何组合逻辑函数都可变换为标准与-或式，因此，用PROM可实现组合逻辑函数。,9.2.3可编程只读存储器（PROM）,二、PROM的应用,例试用PROM构成一个1位全加器。,解：(1)设在第i位的二进制数相加，输入变量为被加数Ai、加数Bi，低位来的进位数为Ci-1。输出为本位和Si、向相邻高位的进位数为Ci。由此可列出全加器的真值表。,(2)画出用PROM实现的逻辑图,用一个特殊的浮栅MOS管替代熔丝。,EPROM只能整体擦除，擦除时间较长。,E2PROM中的存储单元可逐个擦除逐个改写，它的编程和擦除都用电信号完成，速度比EPROM快得多。,9.2.4可擦除可编程只读存储器(EPROM),EPROM中的存储单元采用叠栅MOS管技术。它有两个重叠的栅极，其中一个没有电极且被包围在SiO2绝缘层中，与外部电绝缘，称为浮栅；它的上面还重叠有一个栅极，称为控制栅。控制栅上引出电极G，用于控制MOS管的导通与截止。这样的MOS管又称为SIMOS管。,9.2.4可擦除可编程只读存储器(EPROM),一、EPROM,SIMOS管在正常的开启电压UGS(th)作用下能否导通，完全取决于浮栅中是否有电子注入。当浮栅中未注入电子时，在正常的开启电压作用下，SIMOS管导通，等效于熔丝接通，相当于存入信息1；反之，当浮栅中注入电子后，在正常的开启电压作用下，SIMOS管不导通，等效于熔丝断开，相当于存入信息0。,9.2.4可擦除可编程只读存储器(EPROM),一、EPROM,E2PROM中的叠栅MOS管，叠栅与漏区有一个重叠区，并且在重叠部分，浮栅向漏区靠近，使两者之间的绝缘层很薄，可以较容易地通过外加电压对浮栅注入电子和消除电子，就好像形成了一个隧道，因此又称为隧道型叠栅MOS管。,9.2.4可擦除可编程只读存储器(EPROM),二、E2PROM,快闪存储器中的叠栅MOS管，浮栅与源区重叠，并且重叠部分之间的绝缘层更薄；浮栅与源区的重叠部分是采用源区横向扩散工艺形成的，面积更小。所以它在对浮栅注入电子或消除电子时所需的电压更低，速度更快，几乎可以达到随机读写的速度，因此人们称之为闪存。,9.2.4可擦除可编程只读存储器(EPROM),三、快闪存储器(Flashmemory),9.3随机存取存储器,9.3.1RAM的电路结构和读/写过程,9.3.1RAM的电路结构和读/写过程,9.3.1RAM的电路结构和读/写过程,9.3.1RAM的电路结构和读/写过程,9.3.1RAM的电路结构和读/写过程,9.3.1RAM的电路结构和读/写过程,9.3.2RAM中的存储单元,一、静态随机存取存储器（SRAM）的存储单元,1.电路组成,一、静态随机存取存储器（SRAM）的存储单元,9.3.2RAM中的存储单元,1.电路组成,一、静态随机存取存储器（SRAM）的存储单元,2.工作原理,9.3.2RAM中的存储单元,一、静态随机存取存储器（SRAM）的存储单元,2.工作原理,9.3.2RAM中的存储单元,二、动态随机存取存储器（DRAM）的存储单元,9.3.2RAM中的存储单元,静态RAM存储单元的主要缺点是静态功耗大，使集成度受到限制，采用动态MOSRAM可克服这个缺点。动态RAM存储单元是利用MOS管栅极与源极之间的高阻抗及栅极电容来存储信息的。由于电容存在漏电，栅极电容上存储的信息不可能长期保存，为了防止信息丢失，必须定时给电容补充电荷。,二、动态随机存取存储器（DRAM）的存储单元,9.3.2RAM中的存储单元,1.四管MOS动态存储单元,二、动态随机存取存储器（DRAM）的存储单元,9.3.2RAM中的存储单元,二、动态随机存取存储器（DRAM）的存储单元,9.3.2RAM中的存储单元,同理，如存储单元为1状态，且X=1，Y=1，则完成一次读1操作，并对存储单元进行一次刷新。,二、动态随机存取存储器（DRAM）的存储单元,9.3.2RAM中的存储单元,二、动态随机存取存储器（DRAM）的存储单元,9.3.2RAM中的存储单元,2.单管MOS动态存储单元,写操作：字线加高电平，V导通，位线上的信息通过V存储到电容CS上。读操作：字线上加高电平，V导通，CS向位线上的CB提供电荷，可在位线上读出数据。由于CBCS，读操作时CS上的一部分电荷转移到CB上，使CS上所存的电荷就要损失一次，故每次读出后需对电路进行“刷新”，以维持电容CS上所存储的信息。,9.3.3RAM的扩展,(一)RAM的位扩展,(二)RAM的字扩展,如字数和位数都不够用，则可将字数和位数同时进行扩展，便组成了大容量的存储器。,半导体存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可存储一位二进制数。根据存取功能的不同，半导体存储器分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，两者的存储单元结构不同。ROM属于大规模组合逻辑电路，RAM属于大规模时序逻辑电路。,本章小结,ROM用于存放固定不变的数据，存储内容不能随意改写。工作时，只能根据地址码读出数据。断电后其数据不会丢失。ROM有固定ROM(又称掩模ROM)和可编程ROM之分。固定ROM由制造商在制造芯片时，用掩模技术向芯片写入数据，而可编程ROM则由用户向芯片写入数据。可编程ROM又分为一次可编程的PROM和可重复改写、重复编程的EPROM和E2PROM。EPROM为电写入紫外擦除型，E2PROM为电写入电擦除型，后者比前者快捷方便。可编程ROM都要用专用的编程器对芯片进行编程。,RAM由存储矩阵、译码器和读/写控制电路组成。它可以读出数据或改写存储的数据，其读、写数据的速度很快。因此，RAM多用于需要经常更换数据的场合，最典型的应用就是计算机中的内存。但是，RAM断电后数据将全部丢失。,RAM可位扩展或字扩展，也可位、字同