数字电子技术：7 半导体存储器-2

1、1,快闪存储器（Flash Memory） 为提高集成度，省去T2（选通管） 改用叠栅MOS管（类似SIMOS管,7.2 只读存储器(ROM,为克服UVEPROM擦除慢，操作不便的缺点， 采用FLOTOX（浮栅隧道氧化层MOS管,SIMOS（stacked-gate Injuction Mos）叠栅注入MOS管,2,EPROM ：光擦除（紫外管曝光），电改写（热电子） 优点：耐久性好、结构简单、集成度高、适于低成本大容量应用 缺点：擦除慢、编程功耗大，不适于频繁改写,E2PROM ：电擦除（ FN 隧穿，逐管），电改写（ FN 隧穿） 优点：耐久性好、编程可逆（改写时加反向电压即可擦除） 缺点

2、：阈值电压难以精确控制，需加选通管，故面积大、工艺成本高 Flash ROM ：电擦除（FN 隧穿，成块），电改写（热电子） 优点：结构简单、擦除快（成块擦除）；面积和灵活性介于EPROM 和 E2PROM 之间,V 位,线,VI,字线,可擦除可编程 ROM 小结 V DD,为什么可编程还叫ROM？ 事实上，只有掩模ROM是只读的，其它都可以编程写，所以，叫法不准确； ROM共同特点是，掉电后，所存储的数据不会消失，所以可以归类为非易失性存储器(即Non-Volatile Memory,3,7.3 随机存储器RAM,随机存储器（Random Access Memory）的分类 一、静态随机存储

3、器（Static Random Access Memory） 靠锁存器的自保功能存储数据。 二、动态随机存储器（ Dynamic Random Access Memory） 利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理制成，结构简单 需要刷新电路，操作复杂,4,7.3 随机存储器RAM,7.3.1 静态随机存储器（Static Random Access Memory） 一、结构与工作原理,随机存储器，可随时读出或写入数据； 优点是读、写方便，使用灵活； 缺点：数据易失性，断电则数据丢失,5,1024X4位RAM(2114)实例,字线选行,位线选列,双向数据传输,A9,6,二、SRAM的存储单元,六

4、管N沟道增强型MOS管,7,7.4 存储器容量的扩展,7.4.1 位扩展方式 适用于每片RAM,ROM字数够用而位数不够时 方法：将各片的地址线、读写线、片选线并联即可,例：用八片1024 x 1位 1024 x 8位的RAM,8,7.4.2 字扩展方式,适用于每片RAM,ROM位数够用而字数不够时,例：用四片256 x 8位1024 x 8位 RAM,7.4 存储器容量的扩展,28=256,210=1024,9,7.4 存储器容量的扩展,10,方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；I/O同名端并联,11,小结：位扩展方式,需要片数N=8,例：用1024字1位RAM构成

5、1024字8位RAM,方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和读写信号）。输出并列,7.4 存储器容量的扩展,12,小结、字扩展方式,需要片数N=4,例：用256字8位RAM组成1024字8位存储器,7.4 存储器容量的扩展,13,方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；I/O同名端并联,7.4 存储器容量的扩展,14,7.5 用存储器实现组合逻辑函数,一、基本原理 从ROM的数据表可见： 若以地址线为输入变量，则数据线即为一组关于地址变量的逻辑函数,15,二、举例,7.5 用存储器实现组合逻辑函数,16,ROM的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的，因此

6、可以用来实现组合逻辑函数,例：用ROM实现由8421-BCD码到七段显示器的译码器,七段显示LED数码管 (a) 外形图 (b) 共阴型 (c) 共阳型,公共阴极,公共阳极,7.5 用存储器实现组合逻辑函数,17,4.3 常用组合逻辑电路部件,七段显示译码器7448的功能表,18,输入变量,注意非门，节省器件，因为0比1少,19,例: 试将4片2114A扩展成16位的存储器。 解：即将10244扩展为102416，需要10244RAM的片数为,20,7.1 ROM有多少种？各自的特点都是什么？ 7.2 RAM分为哪两种？各有何特点？ 7.3 ROM和PROM、EPROM及E2PROM有什么相同

7、和不同之处。 7.4 现有容量为10248RAM一片，试回答： （1）该片RAM共有多少个存储单元？ （2）RAM共有多少个字？字长多少位？ （3）该片RAM共有多少条地址线？ （4）访问该片RAM时，每次会选中多少个存储单元？ 7.5 RAM2114（10244位）的存储矩阵为6464， 它的地址线、行选择线、列选择线、输入/输出 数据线各是多少？ 7.6 用ROM实现下列逻辑函数,21,作业,P. 383-385 7.1，7.2，7.4，7.7,22,FLASH原理-U盘存储方式 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过

8、小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作“量子隧道（quantum tunneling）”。 可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧道击穿的几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现,最新式存储器： FLASH MEMORY,23,发现者 1957年，受雇于索尼公司的江崎 玲於奈（Leo Esaki，1925）在改良高频晶体管2T7的

9、过程中发现，重掺杂锗和硅在增加电压时，参杂了含有大量不纯物质的PN接合二极管中的电流反而减少的负阻现象。江崎博士认为这种现象是由电子空穴直接穿透结区而产生的。1958年江崎博士发表了关于隧道二极管的论文。这种固体内部的隧道效果后被叫做“隧道分光学”，开拓了新的固体内部电子的研究领域。同时以江崎博士名字命名的“江崎二极管”的电子素子的开发研究也得以广泛进行。从此金属和超导体的隧道现象的研究有了飞跃发展。由于这一成就，江崎博士与B.D.约瑟夫森和I.贾埃佛共同获得1973年度诺贝尔物理学奖,24,1960年，美裔挪威籍科学家加埃沃（Ivan Giaever，1929）通过实验证明了在超导体隧道结中

10、存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释，单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充,25,1962年，年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS（Superconductor-Insulator-Superconductor）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之

11、为“约瑟夫森效应,26,闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力,与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND型闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。而NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源

12、极,27,闪存的工作原理： 在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。 数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为0，无电子为1。 闪存就如同其名字一样，写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1”。 写入时只有数据为0时才进行写入，数据为1时则什么也不做,28,写入0时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。 读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为1，电流小则定为0。 浮动栅没有电子的状态（数据为1）下