第七章半导体存储器.ppt

1,第七章半导体存储器,主要内容：,1.各种半导体存储器的原理和特点2.存储器的扩展*3.用存储器设计组合逻辑电路*,2,7.1概述,半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导体器件。,存储器与寄存器的区别,寄存器内部由触发器构成，存储容量小。例如1K需要1024个触发器,存储器存储容量大，例如目前动态存储器的容量可达109位/片，其内部结构与寄存器完全不同。,3,按存取功能分,存储器的分类,4,7.2只读存储器(ROM),7.2.1掩膜只读存储器,结构框图,存储矩阵：由存储单元排列而成，每个存储单元能存放一位二值代码，每一个或一组存储单元有一个对应的地址代码,地址译码：将输入的地址码进行译码，在存储矩阵中找到对应的存储单元，并把其中的数据送到输出缓冲器。,输出缓冲：提高带负载能力；实现三态控制，便于总线连接。,5,1.地址译码器由二极管与门构成,二极管存储器,见下页,第七页,6,Y=AB,Y=A+B,回上页,7,2.存储距阵由或门构成,3.输出缓冲器由三态门构成,见上页,见第五页,8,VCC,A1,A0,地址译码,存储矩阵,输出缓冲,二极管与数据的关系,当字线与位线的交叉点上有二极管时，数据为1；无二极管时，数据为0。,数据存入厂家根据用户需要，在有些点做上二极管，有些点不做，就把数据存入存储器了。,9,制作工艺：掩膜，光刻,特点：由厂家写入数据，不可更改；掉电不丢失数据。,存储器容量：所存储的二进制数的位数。即字数位数/字。,10,MOS管存储器,存储矩阵的工作原理：（以W0为例）,当W0=1，W1W2W3=000时，D3D2D1D0=0101,地址译码器，存储矩阵，输出缓冲器均用N沟道MOS管构成,故有MOS管的点数据为1，无MOS管为0。,0101,1010,0100,1110,11,7.2.2可编程只读存储器（PROM）,原理：在字线和位线上接有带熔断丝的三极管,出厂的PROM熔断丝均未熔断，由用户根据需要将熔断丝熔断。,12,数据写入,例：将W0=01111111写入,输入地址码0000，使W0=1，(选中该组存储单元),在D7端加高压脉冲(20V)，使稳压管DZ导通，写入放大器AW导通，输出呈低电平，低内阻状态，有大电流流过熔断丝，将其熔断。,结构原理图：图7.2.5,数据读出,输入地址码0000，使W0=1，数据端不加电压，AR工作，输出数据,读出时，AR输出的5V高电平不足以使DZ导通，AW不工作。,PROM特点：由用户一次性写入数据，不能修改，只能读出。,略,13,7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）,总体结构与PROM一样，不同之处在于存储单元，即字线与位线上接的器件(浮栅MOS管或叠栅MOS管)。,一、EPROM(UVEPROM紫外线擦除的可编程只读存储器),1.浮栅MOS管（以P沟道管为例）,信息存储原理,若浮栅上有电子，则衬底表面可感应出空穴，形成导电沟道，可导通，状态1,略,14,雪崩注入：在DS间加负高压(-45V)，使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿，产生大量的自由电子，在强电场的作用下，穿过SiO2，到达浮栅上。,将负高压撤掉后，电子没有放电通道，只能待在浮栅上，可保存十年左右。,怎样去掉浮栅上的电子(擦除信息),怎样在浮栅上注入电子(写入信息),加紫外线照射，浮栅上的电子获得能量，返回PN结。,为方便照射，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板，平时应封上以免日光照射使信息丢失。,15,输入地址码，使字线W=0（-VDD），在Di端加负高压脉冲，T1浮栅被注入电子。相当于写入1。,用浮栅管作存储单元时，需用一只普通的P沟道MOS管与之串联（因其无栅极引出线）,数据写入,数据读出,输入地址码，使W=0，Di端不加电压，T2导通，T1导通，Di读出1（0V）。,若T1浮栅上无电子，则T1不导通，Di读出0（-VDD）,16,2.叠栅MOS管（以N沟道管为例）,克服了浮栅管无栅极的缺点，工作时不需加配合管。,信息存储原理,若浮栅上无电子，则在GC上加正电压，衬底表面将感应出大量电子，形成导电沟道，可导通，状态0,若浮栅上有电子，则在GC上加正电压，由于该电压与浮栅上的电子有抵消作用，故衬底表面将感应出少量电子，不能形成导电沟道，不可导通，状态1,17,怎样在浮栅上注入电子(写入信息),在DS间加正高压，使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿，产生大量的自由电子。同时在控制栅上加正高压，在此强电场的作用下，电子穿过SiO2，到达浮栅上。,怎样去掉浮栅上的电子(擦除信息),紫外线照射。,输入地址码，使字线W=1（VDD），在Di端加正高压脉冲，T浮栅被注入电子。相当于写入1。,数据写入,数据读出,输入地址码，使W=1，Di端不加电压，T截止，Di读出1（+VDD）。,18,二、E2PROM（电可擦除可编程只读存储器）,EPROM特点：由用户写入，可改写,用浮栅隧道氧化层MOS管(Flotox管)作存储单元。特点：不用紫外线擦除，用电信号擦除。,信息存储原理与前相同，浮栅上有电子相当于1，无电子相当于0。,注入、擦除有所不同。,浮栅和漏区之间的氧化层非常薄，称为隧道区。,当GC与D之间加高压时(可正可负)，薄氧化层被击穿，形成导电隧道，漏区电子可以到达浮栅(GCD间加正电压)，浮栅电子也可以到达漏区(GCD间负电压)，因此写入和擦除都可以通过电信号来实现。,略,19,Flotox管作存储单元时，需附加一普通MOS管。,20,特点：可电擦除；在正常工作时只能读出。,三、快闪存储器,快闪存储器结合了EPROM与E2PROM的优点，与叠栅管的结构类似，,略,21,浮栅与衬底间的氧化层很薄浮栅与源区重叠部分面积极小，浮栅与源区间的等效电容小，浮栅与控制栅间的等效电容大，,当控制栅和源极间加上电压时，大部分电压都降在浮栅与源极的电容上。,22,0V,6V,特点：集成度高，大容量，低成本。,23,7.3随机存储器RAM,特点：可随机读写，掉电丢失数据,7.3.1静态RAM,一、SRAM的结构和工作原理,存储矩阵中的存储单元按行列结构排列；由行地址译码器和列地址译码器分别选中行线和列线，则可选中一组存储单元；读写控制电路控制数据的读出和写入,24,25,存储容量,210字4位/字=10244=4096位,略,26,二、SRAM的静态存储单元,1.NMOS型静态存储单元,T5、T6是存储单元的门控管，由行线Xi控制；,T7、T8是一列存储单元共用的门控管，由列线Yj控制；,27,掉电时，整个电路无法工作，数据全部丢失。,28,2.CMOS型、双极性静态存储单元,CMOS型特点：功耗低，可由备用电池供电保存数据，缺点是制造工艺复杂。,双极型特点：速度快，但功耗大。,工作原理自学,29,7.3.2动态随机存储器(DRAM),静态RAM的缺点：管子多，功耗大，集成度低优点：速度快，使用方便（不用刷新）,动态RAM利用MOS管栅极电容的电荷存储效应存储信息，需要定期给电容补充电荷，即刷新。,有四管、三管、单管电路三种结构,以单管电路为例,30,工作原理,写入：X=1，T导通，位线B上的数据经过T存入CS.,读出：X=1，T导通，Q与B接通，若Q=0，则B=0，若Q=1，则CS对CB充电。,但充电后的高电平会降低很多，为破坏性读出.,CB为分布电容，CBCS，,31,设地址线为n条，数据线为m条，则字数=2n。,例：将2片2114(10244位)扩展成10248位的RAM,7.4.1.位扩展方式,7.4存储器容量的扩展,存储容量的含义：能存储多少位二进制数。,存储器容量的表示方法：容量=字数位数,存储容量=2nm。,方法：将两片存储器的地址线，读写线，片选线对应并接即可。,32,I/O0I/O1I/O2I/O3,I/O4I/O5I/O6I/O7,A0A1A9,对同一地址进行读写操作，一次读写8位。,33,7.4.2字扩展方式,例：将4片2114(10244位)扩展成40964位的RAM,方法：,34,I/O0I/O1I/O2I/O3,A0A1A9,2-4线译码器,35,分析：,36,字和位都扩展方式,例：1024420488,先进行位扩展，将两片10244扩展成10248,再进行字扩展，将两个10248扩展成20488,37,7.5用存储器实现组合逻辑,原理：,因此，将组合电路的输入接存储器的地址端，输出接数据端，并将真值表作数据表写入存储器中即可。,38,例1：试用ROM设计一个八段字符显示译码器（带小数点），其真值表如下。,解：电路要求4位输入，8位输出，故选用4位地址线，8位(或8位以上)数据线的ROM。,用掩模ROM实现,画出存储矩阵的连接图（有二极管表示0）,39,用EPROM实现,输入地址码，将数据写入,40,例2：试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数。,解：,电路要求4位输入，4位输出，故选用4位地址线，4位(或4位以上)数据线的ROM。,为得真值表，先将逻辑式化为最小项之和的形式