半导体存储器

1、第第5 5章章 半导体存储器半导体存储器 5.1 5.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 5.2 5.2 随机读写存储器随机读写存储器 RAMRAM 5.4 5.4 可编程只读存储器可编程只读存储器 5.3 5.3 掩模只读存储器掩模只读存储器 MROMMROM 5.1 5.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 半导体存储器半导体存储器 用半导体材料制成的大规模集成电路，基本功能是存储数据，用于数用半导体材料制成的大规模集成电路，基本功能是存储数据，用于数字系统中需要临时或永久性保存数据的场合。字系统中需要临时或永久性保存数据的场合。 按功能分类按功能分类半导体存储器半导体存储器随机

2、读写随机读写存储器存储器静态随机读写存储器（静态随机读写存储器（SRAM）动态随机读写存储器（动态随机读写存储器（DRAM）只读存储只读存储器器掩模只读存储器掩模只读存储器MROM一次性可编程只读存储器（一次性可编程只读存储器（OTP） 紫外线可擦除可编程只读存储器（紫外线可擦除可编程只读存储器（EPROM）电可擦除可编程只读存储器（电可擦除可编程只读存储器（E2PROM） 闪烁存储器（闪烁存储器（FLASH E2PROM） RAM: 随机读写存储器随机读写存储器（Random Access Memory） 数据可以随时存入数据可以随时存入(写写)或取出或取出(读读)。断电数据会丢失。断电数据

3、会丢失。 ROM: 只读存储器只读存储器（Read Only Memory） 存放固定数据，事先写入，工作中可随时读取。断电数据不会丢失存放固定数据，事先写入，工作中可随时读取。断电数据不会丢失MROM：掩模只读存储器掩模只读存储器 （Masked ROM） 制造时固化数据，工作中只读，得不改写，适用于大批量产品。制造时固化数据，工作中只读，得不改写，适用于大批量产品。OTP：一次性可编程只读存储器一次性可编程只读存储器（One Time Programmble ROM） 使用前，用户一次性写入数据，不得改写。适用于小批量产品。使用前，用户一次性写入数据，不得改写。适用于小批量产品。EPROM

4、：紫外线可擦除可编程只读存储器紫外线可擦除可编程只读存储器（Erasable PROM） 数据写入后，可用紫外线照射擦除数据写入后，可用紫外线照射擦除 。擦除后可重写。擦除后可重写。 E2PROM：电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable PROM） 数据写入后，可施加电信号将数据擦除，并写入新数据数据写入后，可施加电信号将数据擦除，并写入新数据 ，可反复擦，可反复擦 写上百次，适用于开发阶段或小批量产品的生产。写上百次，适用于开发阶段或小批量产品的生产。可可在线读写。在线读写。FLASH E2PROM：闪烁存储器闪烁存储器。 具有具有E2P

5、ROM的擦写特点，擦除速度快得多，擦写次数达上千次。的擦写特点，擦除速度快得多，擦写次数达上千次。 按制造工艺分类，按制造工艺分类， 双极型存储器：工作速度快，但功耗大、集成度不高；双极型存储器：工作速度快，但功耗大、集成度不高； MOS型存储器：制作工艺简单，集成度高，功耗耗，容量大，成本低。型存储器：制作工艺简单，集成度高，功耗耗，容量大，成本低。 工作速度得到极大地提高，得到广泛应用。工作速度得到极大地提高，得到广泛应用。 5.2 5.2 随机读写存储器随机读写存储器RAMRAM 5.2.1 SRAM VDDT1T2T4T3T5T6行选择X列选择Y数据位数据位DDT7T8存储单元注意：注

6、意： 读出是无破坏性的，即，读操作不会使数据发生改变。读出是无破坏性的，即，读操作不会使数据发生改变。 写入会改变原来存放的数据。即，不管原来存放的数据是什么，写操写入会改变原来存放的数据。即，不管原来存放的数据是什么，写操作后一定是新写入的数据。作后一定是新写入的数据。 MOS六管存储单元六管存储单元 T1T4构成基本构成基本RS触发器触发器 。 读取数据：使读取数据：使X、Y有效，有效，T5T8开通，触发器的两个互补输出端分开通，触发器的两个互补输出端分别向别向 D、 端传出数据；端传出数据； 写入数据：先将待写入的数据送写入数据：先将待写入的数据送到到 D、 端上，再使端上，再使X、Y有

7、效，有效， T5T8开通，外来数据强行使触发器开通，外来数据强行使触发器置位或复位。置位或复位。 DD 存储器：由大量的存储单元按阵列方式排列形成。存储器：由大量的存储单元按阵列方式排列形成。 Y选择译码X选择译码A0A1A2A3DD存储单元X0X1X2X3Y3Y2Y1Y0读写控制I/OCS/R W例：例：44 存储单元方阵构成的存储器，能存放存储单元方阵构成的存储器，能存放16个二进制数据位：个二进制数据位： A0A3： 地址，对某一存储单元进行选择。其中：地址，对某一存储单元进行选择。其中： A1A0：由由X选择译码电路译为选择译码电路译为4路输出，用作行选择；路输出，用作行选择； A3A

8、2：由由Y选择译码电路译为选择译码电路译为4路输出，用作列选择。路输出，用作列选择。 只有行和列同时选中的存储单元才能通过只有行和列同时选中的存储单元才能通过D、 端进行访问。端进行访问。 DDD/I OCS/R WG3G1G2G4G5读写控制电路，见右图。读写控制电路，见右图。 I/O：数据输入数据输入/输出端输出端 。 ：器件选择信号。：器件选择信号。 若若 ，G1、G2、G3呈高阻态，呈高阻态，读写操作被禁止读写操作被禁止 ； 若若 ，G1、G2、G3开通，开通，读写操作可进行，此时：读写操作可进行，此时： 若若 ，G3开通开通，数据，数据D 从从 I/O 输出；输出； 若若 ，G1、G

9、2开通，开通，数据由数据由I/O 送到送到D、 端端 。CS1CS 0CS /1R W /0R W D 集成集成 SRAM 6116 介绍：介绍： D7D0： 数据输入数据输入/输出端，以字节为单位进行读写。输出端，以字节为单位进行读写。 A10A0：11位地址输入端，存储容量为位地址输入端，存储容量为2048字节（字节（2KB）。）。 ：片选端。为片选端。为0，允许读写。为，允许读写。为1：备用（此时功耗极微，且数据：备用（此时功耗极微，且数据 不会丢失）。不会丢失）。 ：读脉冲端。为：读脉冲端。为0：读当前地址对应的数据。为：读当前地址对应的数据。为1：D7D0端呈高端呈高 阻态。阻态。

10、：写脉冲端。先将待写入的：写脉冲端。先将待写入的8位数据送到位数据送到D7D0端，再令其为端，再令其为0， 数据即被写入到当前地址对应的存储单元。数据即被写入到当前地址对应的存储单元。CSOEWEA71A623A54A4VDDA8A9WE24232221D09D11011D212GNDD6D5D4D316151413A35A267A18A0OEA10CSD720191817集成集成 SRAM 61165.2.2 DRAM单管单管DRAM存储单元如图。存储单元如图。 Cs、T：存储元件：存储元件： Cs ：充满电荷时表示存储充满电荷时表示存储1， 无电荷时表示存储无电荷时表示存储0。 T：门控管

11、，工作在开关状态。：门控管，工作在开关状态。Co：杂散分布电容，杂散分布电容，Cs、Co的容量都很小。的容量都很小。 CsCoT字线数据线存储单元工作原理：工作原理：（1）写入数据：）写入数据： 待写数据位加在数据线上待写数据位加在数据线上 Co充放电充放电字线加高电使字线加高电使T导通导通 Cs充放电充放电撤消字线上的高电平使撤消字线上的高电平使T截止截止 Cs上的电荷状态被保持。上的电荷状态被保持。（2）读取数据：）读取数据： 使数据线置于中间电位使数据线置于中间电位 Co充放电充放电使数据线处于高阻抗字线加使数据线处于高阻抗字线加 高电使高电使T导通导通 Co和和Cs上的电荷重新分配达到

12、平衡。若上的电荷重新分配达到平衡。若 平衡后的电位高于中间电位，则原来存入的数据为平衡后的电位高于中间电位，则原来存入的数据为1； 平衡后的电位低于中间电位，则原来存入的数据为平衡后的电位低于中间电位，则原来存入的数据为0。 注意：注意： 读取数据时读取数据时C Cs s上的电荷发生了改变，原来存入的数据被破坏上的电荷发生了改变，原来存入的数据被破坏 应立即将读得的数据重新写入。应立即将读得的数据重新写入。（3）刷新）刷新: : 刷新：由于漏电，应周期性地给刷新：由于漏电，应周期性地给Cs补充电荷，使存储的数据不丢失。补充电荷，使存储的数据不丢失。 刷新操作：执行一次读操作，但并不使用读得的数

13、据。刷新操作：执行一次读操作，但并不使用读得的数据。 存储单元为阵列排列时，以行为单位进行刷新，周期约为几毫秒存储单元为阵列排列时，以行为单位进行刷新，周期约为几毫秒5.3 5.3 掩模只读存储器掩模只读存储器 MROMMROM 行选择译码A0A1D3D2X0X1X2X3OEVDDD1D0负载管存储管44阵列阵列 MOS MROM 的电的电路结构见右图。路结构见右图。数据存储数据存储 存储存储0：有有MOS管；管； 存储存储1：无：无MOS管。管。行选择译码行选择译码 对对A1A0译码，选择某一行。译码，选择某一行。数据读出数据读出 由由A1A0选择要读出的行；选择要读出的行； 令令 =0；

14、一次性读出一次性读出4位数据。位数据。OE5.4 5.4 可编程只读存储器可编程只读存储器 5.4.1 5.4.1 一次性编程只读存储器一次性编程只读存储器OTPOTP 熔丝型熔丝型OTPOTP的存储单元如图的存储单元如图 构成：构成： T T：晶体三极管；：晶体三极管；F F：熔丝熔丝 工作原理：工作原理： 出厂时，出厂时，F F未熔断，读取的数据全为未熔断，读取的数据全为1； 数据写入：在数据写入：在V VDDDD上施加较高的编程电压上施加较高的编程电压 若写入若写入0 0，则，则T T导通，过载电流使熔丝熔断；导通，过载电流使熔丝熔断； 若写入若写入1 1，则，则T T截止，熔丝不会熔断

15、。截止，熔丝不会熔断。 数据读出：数据读出：行线置高电平行线置高电平 若熔丝断，则数据线输出若熔丝断，则数据线输出0 0； 若熔丝未断，则数据线输出若熔丝未断，则数据线输出1 1。VDD数据线行线TF存储单元5.4.2 紫外线可擦除可编程只读存储器EPROM VDD数据线行线存储单元P+P+NDS浮栅SiO2T2T1EPROM的存储单元如图的存储单元如图构成构成 T T1 1：选通选通MOSMOS管，行线上为高电平时导通；管，行线上为高电平时导通； T T2 2：浮栅浮栅MOSMOS管，用于存储数据。管，用于存储数据。浮栅浮栅MOSMOS管的原理管的原理 出厂时：浮栅上没有电荷，浮栅下面不会形

16、成导电沟道，源极出厂时：浮栅上没有电荷，浮栅下面不会形成导电沟道，源极S S和漏极和漏极D D 断开。出厂时各存储单元存储的数据都为断开。出厂时各存储单元存储的数据都为1 1。 用户写入数据：在用户写入数据：在D D上加一个较高的编程电压上加一个较高的编程电压漏区的漏区的p-np-n结发生雪崩击结发生雪崩击 穿穿热电子穿过薄热电子穿过薄S Si iO O2 2层注入浮栅层注入浮栅浮栅带电浮栅带电编程电压撤除编程电压撤除 p-n p-n结恢复正常结恢复正常 浮栅上带的电荷保持浮栅上带的电荷保持 D D、S S之间形成导电沟道。之间形成导电沟道。 用户擦除数据用户擦除数据: : 用紫外线照射浮栅用

17、紫外线照射浮栅浮栅上的电子获得较高的能量穿过浮栅上的电子获得较高的能量穿过 S Si iO O2 2层层 浮栅不再带电浮栅不再带电各存储单元存储的数据都恢复为各存储单元存储的数据都恢复为1 1。 5.4.3 电可擦除可编程只读存储器E2PROM 擦除方式：电信号，可在线擦除。擦除方式：电信号，可在线擦除。 能以字节为单位进行。能以字节为单位进行。存储单元：增加控制栅的浮栅存储单元：增加控制栅的浮栅MOSMOS管，如图。管，如图。 控制栅接地在控制栅接地在S S上加较高的正电压，在控上加较高的正电压，在控 制栅和制栅和S S之间产生一个较强的电场。浮栅之间产生一个较强的电场。浮栅 上的电荷越过上

18、的电荷越过S Si iO O2 2层进入层进入S S，从而达到擦从而达到擦 除目的。除目的。编程操作：与编程操作：与EPROMEPROM相同。相同。数据不丢失时间：数据不丢失时间：100100年。年。P+P+NDS浮栅SiO2控制栅5.4.4 闪烁存储器FLASH E2PROM 在在E2PROM的基础上，将浮栅的的基础上，将浮栅的SiO2绝缘层做得很薄，因而擦写绝缘层做得很薄，因而擦写速度比速度比E2PROM块得多。由于制造工艺的改进，块得多。由于制造工艺的改进，FLASH E2PROM的的集成度很高、功耗很低，以被广泛地用作便携式智能设备的存储设备。集成度很高、功耗很低，以被广泛地用作便携式

19、智能设备的存储设备。 5.4.5 只读存储器应用举例 例：例： 八段八段LED数码管显示译码器。数码管显示译码器。 A71A623A54A4VDDA8A9VPP24232221D09D11011D212GNDD6D5D4D316151413A35A267A18A0OEA10CSD720191817D C BAabcefghdabcdefgh共阴数码管H+5VEPROM 2716工作原理工作原理 ： EPROM 2716：紫外线可擦除可编程只读存储器。紫外线可擦除可编程只读存储器。 VPP为编程电压引脚，为编程电压引脚， 仅在编程时使用，正常工作时接固定高电平。其余各引脚的功能与仅在编程时使用，

20、正常工作时接固定高电平。其余各引脚的功能与 SRAM 6116 相同。相同。 、 ：接固定低电平，芯片总处于选中、数据线：接固定低电平，芯片总处于选中、数据线D7D0总处于输总处于输 出状态。出状态。 CSOE字形显示方式：字形显示方式： 将各种字形对应的段码写入将各种字形对应的段码写入2716，需要显示某字形时，就输入对应，需要显示某字形时，就输入对应 的地址，让该地址对应的存储内容输出。的地址，让该地址对应的存储内容输出。段码表制作：段码表制作： 例如：例如： 字符字符“A”，将将01010作为地址，在此地址对应的存储字节处写入段码：作为地址，在此地址对应的存储字节处写入段码： 11101110 ，见下图。见下图。 字符字符“A.” 将将11010作为地址，在此地址对应的存储字节处写入段码：作为地址，在此地址对应的存储字节处写入段码： 11101111 ，见下图。，见下图。abcefghdabcefghd字符字符“A”abcdefgh= 11101110字符字符“A.”