第7章半导体存储器n.ppt

1,第七章半导体存储器,7.1概述7.2只读存储器7.3随机存储器7.4存储器容量的扩展7.5用存储器实现组合逻辑函数7.6串行存储器本章小结本章,2,7.1概述,3.半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导体器件。,2.存储器与寄存器的区别,1.定义:存储器（memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。,按存储介质分:,半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。,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。,3,4.对存储器要求：容量大，速度快，成本低,三者之间是矛盾的，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。,4,按存储方式分:按存储介质分:按信息的可保存性分:按在计算机系统中的作用分:,半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。,随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关,非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。,根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。,5.存储器的分类,5,按存取功能分,触发器,电容需要刷新,6,7,24C02的EEPROM,1024RAM,24C02EEPROM,64Kfrash,8,7-2只读存储器,ROM的分类,掩模只读存储器（MROM）,只读存储器所存储的内容一般是固定不变的，正常工作时只能读数，不能写入，并且在断电后不丢失其中存储的内容，故称为只读存储器。ReadOnlyMemory,可编程只读存储器（PROM）,紫外线可擦除可编程只读存储器（EPROM）,电擦除可编程只读存储器（EEPROM）,快闪存储器（FLASHMEMORY）,9,10,几个概念,存储器地址存储器数据输出及位数存储器容量字数,位数,设地址线为n条，数据线为m条，则字数=2n，位数/字=m。,存储容量=2nm。,11,7.2.1掩模只读存储器,1.ROM的基本结构和工作原理,在采用掩模工艺制作ROM时，其中存储的数据是由制作过程中使用的掩模板决定的，此模板是厂家按照用户的要求专门设计的，因此出厂时数据已经“固化”在里面了。,12,存储矩阵：,字线（选择线）：N条,位线（数据线）：M条,13,地址译码器,对应于N条字线，地址译码器必须有n条地址线输入：且,N=2n,一组地址码对应一条字线，当某条字线被选中时，与该字线联系的存储单元（字）就与数据线相通，进行读、写操作。,14,ROM的工作原理,地址译码器根据地址码选中一条字线（只有一条！）,字线所对应的存储单元的各位数码经位线输出,输出缓冲器,选中的字经输出缓冲器输出：提高带负载能力；由三态控制信号决定数据输出的时刻。,15,存储容量字数位数,存储容量22444,7.2.1掩模只读存储器,2.二极管ROM电路,16,图7.2.2是具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路。其地址译码器是由4个二极管与门构成，存储矩阵是由二极管或门构成，输出是由三态门组成的。,图7.2.2,Y=AB,17,2.二极管ROM电路,7.2.1掩模只读存储器,图7.2.2,Y=A+B,18,2.存储距阵由或门构成,3.输出缓冲器由三态门构成,图7.2.2,A1A0为地址线，W0W1W2W3为字线，D3D2D1D0为位线。,在每一个地址上，存放着一个四位数。,19,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。,20,存储矩阵,为了便于表达和设计，通常将右图简化。,有“码点”的存储单元表示存1无“码点”的存储单元表示存0,地址译码器,21,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。,22,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。,0101,1010,0100,1110,23,7.2.2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。,PProgrammable,24,数据写入,例：将地址为0000的单元写入01111111,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。,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。,25,熔丝、反熔丝反熔丝编程技术也称熔通编程技术，这类器件是用反熔丝作为开关元件。这些开关元件在未编程时处于开路状态，编程时，在需要连接处的反熔丝开关元件两端加上编程电压，反熔丝将由高阻抗变为低阻抗，实现两点间的连接，编程后器件内的反熔丝模式决定了相应器件的逻辑功能。,26,7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）Erasable,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(UV-UltravioletEPROM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1,27,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。,28,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）,29,2.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1,30,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）。,31,EPROM特点：由用户写入，可改写,32,二、E2PROM（电可擦除可编程只读存储器）ElectricallyErasable,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。,写入的数据在常温下至少可以保存十年，擦除/写入次数为万次10万次。,33,Flotox管作存储单元时，需附加一普通MOS管。,34,特点：可电擦除；在正常工作时只能读出。,三、快闪存储器,FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势)，U盘和MP3里用的就是这种存储器。,目前Flash主要有两种NORFlash和NANDFlash。,35,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。,36,擦除（写0）：全擦令W=0V，VSS=12V，则隧道区氧化层被击穿，电子经隧道返回，相当于写入0。,0V,6V,特点：集成度高，大容量，低成本。,37,7.3随机存取储出器RAM,特点：可随机读写，掉电丢失数据,7.3.1静态RAM（StaticRAM/SRAM）,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,38,39,若A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000000表示选中列地址为A2A1A0A9=0000、行地址为A8A7A6A5A4A3=00000000的存储单元。此时只有X0和Y0为有效，则选中第一个信息单元的4个存储单元，可以对这4个存储单元进行读出或写入。,40,存储容量,210字4位/字=10244=4096位,符号,41,二、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；,42,掉电时，整个电路无法工作，数据全部丢失。,43,SRAM芯片举例,Intel2114A是1K字4位SRAM，它是双列直插18脚封装器件，采用5V供电，与TTL电平完全兼容。,44,静态读写存储器（SRAM）集成电路6264简介,采用CMOS工艺制成，存储容量为8K8位，典型存取时间为100ns、电源电压5V、工作电流40mA、维持电压为2V，维持电流为2A。8K=213，有13条地址线A0A12；每字有位，有条数据线I/O0I/O7；,四条控制线,45,6264的工作方式表,46,2.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,7.3.2动态随机存储器(DRAM)（DynamicRAM）,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。,以单管电路为例,DDRRAM（Double-Date-RateRAM）,47,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，,48,DRAM芯片举例,DRAM2116有七位地址输入，行、列地址复用的16K1位的DRAM,49,常见存储器规格型号,50,设地址线为n条，数据线为m条，则字数=2n，位数/字=m。,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/字,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。,51,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。,52,将8片(10241位)扩展成10248位的RAM,53,7.4.2字扩展方式,例：将4片2114(10244位)扩展成40964位的RAM,方法：,54,I/O0I/O1I/O2I/O