数字电路08第七章半导体存储器

1、2021/8/14第七章第七章 半导体存储器半导体存储器7.1 概述概述半导体存储器是半导体存储器是固态固态存储器存储器SSD (Solid State Drives) ，具有存储，具有存储密度高，体积小，容量大，读写速度快，功耗低等优点密度高，体积小，容量大，读写速度快，功耗低等优点!2021/8/14分类：分类：掩模掩模ROM可编程可编程ROM (PROM-Programmable ROM)可擦除可编程可擦除可编程ROM (EPROM-Erasable PROM)随机存储器随机存储器RAM(Random Access Memory)静态存储器静态存储器SRAM (Static RAM) 主

2、要用于高速缓存和服务器内存主要用于高速缓存和服务器内存动态存储器动态存储器DRAM (Dynamic RAM)按按功功能能特特点点EEPROM (Electrically EPROM)/E2PROM 只读存储器只读存储器ROM(Read- Only Memory)Flash Memory (快闪存储器，如快闪存储器，如U盘盘)FRAM (Ferro-electric RAM 铁电存储器铁电存储器)SDRAM, DDR-RAM等等非挥发存储器（非挥发存储器（Non-Volatile Memory-NVM）挥发存储器（挥发存储器（Volatile Memory-VM）或者称易失存储器）或者称易失存

3、储器2021/8/141. ROM的构成的构成主要指标：存储容量、存取速度。主要指标：存储容量、存取速度。存储容量：用字数存储容量：用字数位数表示，也可只用位数表示。如，某动态位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为存储器的容量为109位位/片。片。7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器7.2 只读存储器只读存储器ROM存储单位存储单位:字字2021/8/142. 工作原理工作原理ROM是组合逻辑电路是组合逻辑电路d3=W1+W3=A1A0+A1A02021/8/143. 看待看待ROM（存储器）的三个不同的角度（存储器）的三个不同的角度组合逻辑组合逻辑查找表查找表 (Look-

4、up table)译码编码的过程译码编码的过程地址地址数数 据据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110真值表真值表输入变量输入变量 输出变量输出变量A0An-1W0W(2n-1)D0Dm2021/8/14地地 址址数数 据据A1A0D3D2D1D00001010110111001001111104. 数据与存储矩阵对应关系数据与存储矩阵对应关系存储器的容量存储器的容量: 字数字数 x 位数位数存储矩阵的每个交叉点是一个存储矩阵的每个交叉点是一个“存存储单元储单元”，存储单元中有器件存入，存储单元中有器件存入“1”，无器件存入，无器件存入“0”2021/8/14

5、编程时编程时VCC和和字线电字线电压提高压提高写入时，要使用编程器7.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM2021/8/147.2.3 可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器一、一、EPROM(UVEPROM-Ultra Violet)SIMOS:Stacked-gate Injection MOS;叠栅注入叠栅注入MOS浮置栅极浮置栅极为氮化物是可为氮化物是可以存储电荷的电荷势阱以存储电荷的电荷势阱 行列地址译码器行列地址译码器2021/8/145V5VGND导通状态导通状态:浮栅上没有电荷时浮栅上没有电荷时, 加控加控制栅电压制栅电压VT (5V)时时,导通导通,存存”0

6、”截止状态截止状态:浮栅上带有负电荷时浮栅上带有负电荷时,使得使得MOS管的开启电压变高管的开启电压变高, 加加控制栅电压控制栅电压VT时时,截止截止,存存”1”iDVT1VT2v vGSGS浮栅无电子浮栅无电子浮栅有电子浮栅有电子O存储电荷前存储电荷前存储电荷后存储电荷后浮栅浮栅MOS管管电流传输特性电流传输特性2. 存储原理存储原理5V5VGNDVT1VTVT22021/8/14(1) 擦除擦除用紫外线或用紫外线或X射线，距管子射线，距管子2厘米处照射厘米处照射1520分钟；分钟；阳光下阳光下1周，荧光灯下周，荧光灯下3年。年。3. 3. 编程原理：先擦除，再写入编程原理：先擦除，再写入(

7、 (编程编程) ) 25V25VGND(2) 写入写入1.源漏极加高压源漏极加高压(+20V+25V), 发生发生雪崩击穿雪崩击穿2.在控制栅极在控制栅极Gc上加高压上加高压(+25V,50ms)吸引高速电子穿过吸引高速电子穿过SiO2到达浮栅，到达浮栅，这个过程称为这个过程称为Hot carrier injection书上称为书上称为雪崩注入雪崩注入 见备注2021/8/14二、二、EEPROM/E2PROM浮栅隧道氧化层浮栅隧道氧化层MOSFlotoxMOS: Floating gate Tunnel Oxide MOS存储原理：存储原理：Gf存电荷前存电荷前,正常控制栅极电压正常控制栅极

8、电压3V下下,T1导通导通, 存存0Gf存电荷后存电荷后,正常控制栅极电压正常控制栅极电压3V下下,T1截止截止, 存存1T2为了提高擦、写的可靠性为了提高擦、写的可靠性T1为实现数据存储的存储管为实现数据存储的存储管2021/8/14EEPROM的编程过程：先擦除，再编程！的编程过程：先擦除，再编程！(1)擦除就是给浮栅的充电擦除就是给浮栅的充电 ，相当于写，相当于写“1”(2)写入就是将需要写写入就是将需要写“0”的单元的栅极放电的单元的栅极放电写写1 (擦除擦除/充电充电): Wi和和Gc加加20V、10ms的正脉冲的正脉冲Bj接接0，电子通过隧道区从漏极进入浮置栅极，电子通过隧道区从漏

9、极进入浮置栅极Gf写写0(写入写入/放电放电):Gc接接0，Wi和和Bj加加20V 10ms的正的正脉冲脉冲, 电子通过隧道区从浮置栅极电子通过隧道区从浮置栅极Gf向漏极释放向漏极释放区别于区别于EPROM的的hot-electron injection 这种称为这种称为 tunnel injection 书上称为隧道效应或称隧道注入书上称为隧道效应或称隧道注入有兴趣可以参考有兴趣可以参考http:/ Memory按结构又分为按结构又分为NOR Flash和和NAND Flash。基本单元为。基本单元为SIMOS-叠栅叠栅注入注入MOS，特点是浮栅，特点是浮栅Gf与衬底间与衬底间SiO2更薄更

10、薄1015nm(相比相比EPROM的的3040nm,E2PROM的的20nm)，Gf与源极与源极S有极小的重叠区，即隧有极小的重叠区，即隧道区。下面主要指的是道区。下面主要指的是NOR Flash。存储单元相对于存储单元相对于EEPROM，只需要一个，只需要一个MOS管，结构简单，集管，结构简单，集成度高，成本低。因为成度高，成本低。因为MOS管的源极是连在一起的，所以擦除时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按固定大小的存储容量(典型为典型为128-512kbits) 整体擦除，所以叫整体擦除，所以叫Flash Memory，用来形容擦除速度快。，用来形容擦除速度快。2021

11、/8/14擦除（写擦除（写0）类似）类似E2PROM，基于隧道效应基于隧道效应写入（写写入（写1）类似）类似EPROM，为雪崩注入，为雪崩注入和和E2PROM相比，需要电压明显减小，这源于更薄的相比，需要电压明显减小，这源于更薄的SiO2绝缘层。绝缘层。Flash ROM具有在系统可编程具有在系统可编程(ISP, In-System Programmability)的能力。在许多场合，的能力。在许多场合，Flash ROM也被直接称为也被直接称为E2PROM.NOR Flash的擦除和写入（编程）的擦除和写入（编程）NAND Flash的擦除和编程都基于隧道效应的擦除和编程都基于隧道效应202

12、1/8/14NAND Flash的擦除和写入（编程）的擦除和写入（编程） 2021/8/14NOR Flash同一位线上的单元是同一位线上的单元是并并联的关系，逻辑上为联的关系，逻辑上为或或非逻辑非逻辑NOR指的就是或非逻辑的意思指的就是或非逻辑的意思NAND Flash同一位线上的单元是同一位线上的单元是串串联的关系，逻辑上为联的关系，逻辑上为与与非逻辑非逻辑NAND指的就是与非逻辑的意思指的就是与非逻辑的意思2021/8/14NOR Flash结构结构NAND Flash结构结构2021/8/14NOR Flash和和NAND Flash的比较的比较:1. 擦除和写入方式相同：按块擦除和写

13、入；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；存储单元的连接方式不同，或非和与非；3. 读出方式不同读出方式不同: NOR是线性编址，可以按字节随机访问；而是线性编址，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。显然是分了块页字节三个地址寻址，只能按块读取。显然NOR接接口简单口简单, 存取单位为字节存取单位为字节, 可以随机访问可以随机访问;而且具有而且具有XIP的功能的功能（eXecute In Place，本地执行），常用来存放程序代码；，本地执行），常用来存放程序代码；4. NOR寿命短（寿命短（10万次），万次），NAN

14、D（100万次）；因为万次）；因为XOR的擦除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。存储单元老化的速度。5. NOR写入和擦除速度慢写入和擦除速度慢, 存储密度低存储密度低, 成本高；成本高；NAND相反相反, 所以所以现在的现在的U盘等便携存储用的是盘等便携存储用的是NAND Flash。2021/8/14虽然，虽然，ROM可读也可写，但写入速度慢，另外写入或擦除操作是可读也可写，但写入速度慢，另外写入或擦除操作是有损操作，有损操作，SIO2绝缘层很薄，随着写操作次数增加，也在不断损绝缘层

15、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。所以可写耗，一旦绝缘层彻底击穿，将不能再编程。所以可写ROM的编程的编程次数都是有限的，典型次数为次数都是有限的，典型次数为100万次万次(NAND Flash)。U盘往往内部包括了微处理器（右侧芯片）和盘往往内部包括了微处理器（右侧芯片）和Flash memory（主要（主要是是NAND Flash），之所以可以在比较低的单电源条件下工作，因为），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（芯片内部往往有电荷泵（charge pump ）用于提升电压，以满足在）用于提升电压，以满足在擦除和写入时对高

16、电压的要求。擦除和写入时对高电压的要求。2021/8/14MLC (Multi-Level Cell ) vs SLC (Single-Level Cell )A Single-Level Cell, SLC, memory card stores one bit in each cell, leading to faster transfer speeds, lower power consumption and higher cell endurance. The only disadvantage of Single-Level Cell is the manufacturing cos

17、t per MB. Based on that, the SLC flash technology is used in high-performance memory cards. A Multi-level Cell, MLC, memory card stores two or more bits in each cell. By storing more bits per cell, a Multi-Level Cell memory card will achieve slower transfer speeds, higher power consumption and lower

18、 cell endurance than a Single-Level Cell memory card. The advantage of Multi-Level Cell memory card is the lower manufacturing costs. The MLC flash technology is used mostly in standard memory cards. The Multi-Bit Cell, MBC, is a similar technology to the Multi-Level Cell but stores only two bits pe

19、r cell. 2021/8/14见备注2021/8/14Kingston 1G SD card左侧为三星左侧为三星K9G808U0M MLC Flash ROM 2bits/cell 右侧为右侧为SD控制芯片控制芯片2021/8/14四、四、FeRAM/FRAM (Ferro-electric RAM)Ramtron公司在公司在1992年下半年开始生产供销售的铁电存储器。年下半年开始生产供销售的铁电存储器。 器件器件: FM18L08 256kB Bytewide FRAM Memory(一一) 相对于相对于EEPROM和和Flash优势之处优势之处1. 铁电存储器的读写速度更快。与其它存储

20、器相比，铁电存储器的写入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。太大区别。2. FRAM存储器可以无限次擦写，而存储器可以无限次擦写，而EEPROM只能进行只能进行100万次擦写。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。铁电存储器所需功耗远远低于其他非易失性存储器。2021/8/14(二二) FRAM原理原理FRAM利用利用铁电晶体铁电晶体的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁电的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁

21、电晶体上施加一定的电场时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保持数据保持数据不需要电压，也不需要像不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一

22、种偏振铁电晶体所固有的一种偏振(电电)极化特性，与电磁作用无关，所以极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件存储器的内容不会受到外界条件(诸如磁场因素诸如磁场因素)的影响，能够的影响，能够同普通同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。2021/8/14FRAM晶体结构晶体结构2021/8/14(三三) FRAM存储单元结构存储单元结构类似类似DRAMFRAM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

23、。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。2021/8/14前期的前期的FRAM的每个存储单元使用的每个存储单元使用2个场效应管和个场效应管和2个电容，称为个电容，称为“双管双容双管双容”(2T2C)，每个存储单元包括数据位和各自的参考位，每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的简化的2T2C存储单元结构如图存储单元结构如图(a)所示。所示。2001年年Ramtron设计开发设计开发了更先进的了更先进的“单管单容单管单容”(1T1C)存储单元。存储单元。1T1C的的FRAM所有数据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使用同一个参考位，而不

24、是对于每一数据位使用各自独立的参考位。位。1T1C的的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存存储单元结构储单元结构(未画出公共参考位未画出公共参考位)如图如图(b)所示。所示。(a)(b)位线位线( (数据位数据位) ) 位线位线( (参考位参考位) )位线位线( (数据位数据位) )字线字线字线字线2021/8/14(四四) FRAM的读的读/写操作写操作 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

25、。实际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 (即对电容充电即对电容充电)，如果原，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置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动

26、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了一个尖峰。把这个充电波形同参考位(确定且已知确定且已知)的充电波形进行比较，便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可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或或“0”。 无论是无论是2T2C还是还是1T1C的的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可，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。由于读操作可能导致存

27、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复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充电预充电”(pre-charge)过程来对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，读操作的时间小于作的时间小于70ns,加上加上“预充预充”时间时间60ns,一个完整的读操作时间约为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

28、仍要保留一个就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充预充”时间，所以总时间，所以总的时间与读操作相同。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，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。速度要快得多，而且功耗小。2021/8/147.3 随机存储器（随机存储器（RAM）7.3.1 静态随机存储器静态随机存储器SRAM（一）（一）RAM的结构的结构分为静态随机存储器分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器和动态随机存储器DRAM两种。两种。(2) 片选信号片选信号CS: 控制控制I/O端是否端是否处在高阻状态。处在高阻状态。(

29、1) 读写控制信号读写控制信号R/W: 控制电路控制电路处于处于读出读出,还是还是写入写入状态。状态。2021/8/141. 六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元（二）静态（二）静态RAM的存储单元的存储单元VDDGNDVIY2021/8/14最细线宽最细线宽（最小特征尺寸）（最小特征尺寸）0.25 m0.18 m0.13 m90 nm 65 nm45 nm6T-SRAM bit cell7.564.652.431.360.710.346T-SRAM with overhead11.287.183.732.091.090.521T-SRAM bit cell3.511.971.100.61

30、0.320.15Cell sizes (m/bit or mm/Mbit) 2021/8/147.3* DRAM:四管动态四管动态MOS存储单元存储单元T1 T2交叉连接作存储器用，数据以交叉连接作存储器用，数据以电荷的形式存储在电荷的形式存储在T1 T2的寄生电容的寄生电容C1和和C2上，而上，而C1和和C2上的电压又控上的电压又控制着制着T1 T2的导通或截止，产生位线的导通或截止，产生位线B和和B上的高、低电平。上的高、低电平。C1被充电，且使被充电，且使C1上的电压大于开上的电压大于开启电压，同时启电压，同时C2没被充电，没被充电， T1导通、导通、T2截止。截止。VC1=Q=1，VC

31、2=Q=0，存，存储单元存储单元存0状态。状态。动态存储单元是利用动态存储单元是利用MOS管栅极电容管栅极电容可以存储电荷的原理可以存储电荷的原理2021/8/14动态存储单元的电路结构还可以更简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，进一步提高存储密度，降低成本单管电路单管电路2021/8/14DRAM芯片组芯片组成的内存模块成的内存模块2021/8/147.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.4.1 位扩展方式位扩展方式方法：所有输入信号都并联方法：所有输入信号都并联( (地址信号、片选信号和读写信号地址信号、片选信号和读写信号); ); 输出各自独立。输出

32、各自独立。N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储芯片容量已有存储芯片容量需要片数需要片数N=8例：用例：用1024字字1位位RAM芯片构成芯片构成1024字字8位位RAM存储器存储器2021/8/14例：用例：用256字字8位位RAM芯片组成芯片组成1024字字8位存储器。位存储器。需要片数需要片数N=47.4.2 字扩展方式字扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储芯片容量已有存储芯片容量2021/8/14各片地址分配情况：各片地址分配情况：000H0FFH100H1FFH2FFH3FFH200H300H当要求字和位同时扩展时，先字扩展或先为扩展都可当要求字和位同时扩展时，先字扩展

33、或先为扩展都可以，最终结果都是一样的。以，最终结果都是一样的。2021/8/147.5 用存储器实现逻辑函数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0202323d = W +W +W= A B +AB +AB= m +m +m2021/8/14例例7.5.1用用ROM实现由实现由8421-BCD码到八段显示器的译码器。码到八段显示器的译码器。02356789101415a = m +m +m

34、+m +m +m +m +m +m+m+m2021/8/140235678910141514111213a = m +m +m +m +m +m +m +m +m+m+ma = m +m +m+m+m2021/8/14ROM的简化表示方法。的简化表示方法。ABCDDCBAYDCBADABCYBCDADBCDCBAYCBABCAYROM4321产生：用),(),(),(),(15214414107676324321mYmYmYmY都转换为都转换为4变量函数变量函数2021/8/14题题7-3 某台计算机内存设置为某台计算机内存设置为32位地址线，位地址线，16位并行数据输入位并行数据输入/输出，输出，问其最大存储量是多少？问其最大存储量是多少？最大存储容量最大存储容量23216b（bit，比特），比特）236b 233B（Byte字节）字节）223kB213MB23GB8GB寻址能力或寻址空