第七章半导体存储器

1、1第七章第七章 半导体存储器半导体存储器本章的重点：本章的重点： 1 1存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特点；点； 2 2扩展存储器容量的方法；扩展存储器容量的方法； 3 3用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。 因为存储器几乎都作成因为存储器几乎都作成LSILSI器件，所以这一章的重点内容器件，所以这一章的重点内容是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程的重点。的重点。本章的难点：本章的难点： 在本章的重点内容中基本没有难点。在本章的

2、重点内容中基本没有难点。2预备知识预备知识 字：字：在计算机中，作为一个整体单元进行存取和处理的一组二在计算机中，作为一个整体单元进行存取和处理的一组二进制数，每位计算机字的二进制数的位数是固定的。进制数，每位计算机字的二进制数的位数是固定的。 字节：字节：把一个把一个8位的二进制数据单元称为一个字节，通常用字位的二进制数据单元称为一个字节，通常用字母母B表示。表示。 字长：字长：一个字中包含二进制数位数的多少称为字长，字长是标一个字中包含二进制数位数的多少称为字长，字长是标志计算机精度的一项技术指标。志计算机精度的一项技术指标。KB即为即为K字节字节 1K=210 =1024 BMB即为即为

3、M字节字节 1M=220 =1024 K GB即为即为G字节字节 1G=230 =1024 M 位：位：计算机只认识由计算机只认识由0或或1组成的二进制数，二进制数中的每组成的二进制数，二进制数中的每个个0或或1就是信息的最小单位，称为就是信息的最小单位，称为“位位”（bit），也称为二进制），也称为二进制的位或称字位的位或称字位 3第七章第七章 半导体存储器半导体存储器第一节第一节 概述概述存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。体器件。用途：在计算机或数字系统中存储数据。用途：在计算机或数字系统中存储数据。 与寄存器的区别：以

4、与寄存器的区别：以字字为单位存取，每字包含若干为单位存取，每字包含若干位位。各个字。各个字的相同位通过的相同位通过同一引脚同一引脚与外界联系。每个字分配一个与外界联系。每个字分配一个地址地址，因此内，因此内部有地址译码器。部有地址译码器。4分类：分类：掩模掩模ROM可编程可编程ROM（PROM）可擦除可编程可擦除可编程ROM（EPROM）随机存储器随机存储器RAM静态存储器静态存储器SRAM动态存储器动态存储器DRAM按按功功能能(Read- Only Memory)(Random Access Memory)(Programmable ROM)(Erasable PROM)UVEPROMEE

5、PROM只读存储器只读存储器ROMFlash Memory(Ultra-Violet)(Electrically)电可擦除电可擦除紫外线擦除紫外线擦除(Static RAM)快闪存储器快闪存储器(Dynamic RAM)只能读出不能只能读出不能写入写入,断电不失断电不失还可以按制造工艺还可以按制造工艺分为双极型和分为双极型和MOS型两种。型两种。 主要指标：存储容量、存取速度。主要指标：存储容量、存取速度。 存储容量存储容量:用字数用字数位数表示，也可只用位数表示。如，某位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为动态存储器的容量为109位位/片。片。5第二节第二节 只读存储器只读存储

6、器ROM一、掩模只读存储器一、掩模只读存储器又称为固定又称为固定ROM。工厂。工厂按用户要求生产出来后，按用户要求生产出来后，用户不能改动。用户不能改动。1.ROM的构成的构成 存储矩阵存储矩阵：由若干存储：由若干存储单元排列成矩阵形式。单元排列成矩阵形式。储存单元：可由二极管、双极性三极管或储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。管构成。 地址译码器地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。应的单元，把数据送往输出缓冲器。输出缓冲器输出缓冲器：增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和：增加带负载能力

7、；同时提供三态控制，以便和系统的总线相连。系统的总线相连。 存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器的存取时间仅有的存取时间仅有10ns左右。左右。62.工作原理工作原理按组合电路进行分析。按组合电路进行分析。二四线二四线译码器译码器A1,A0的的四个最小四个最小项项字线字线存储矩阵是四个二极管或门；存储矩阵是四个二极管或门；当当EN=0时时， 。iiDDD1= D3 = A0D0 = W1+ W0 = A1真值表：真值表：真值表与存真值表与存储单元有一储单元有一一对应关系一对应关系位线位线0011D01010D11101D21010

8、D31010A01100A1D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0D2= W1= A1+A07二、可编程只读存二、可编程只读存储器储器PROM 用用MOS工艺制工艺制造的造的ROM的存储的存储矩阵如图：矩阵如图：或非门或非门 产品出厂产品出厂时存的全是时存的全是1，用户可一次性用户可一次性写入，即把某写入，即把某些些1改为改为0。但。但不能多次擦除。不能多次擦除。 存储单元多采用熔丝低熔存储单元多采用熔丝低熔点金属或多晶硅。写入时设法在点金属或多晶硅。写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。断。编程编程时时VCC和字和字线电线电压提压提高高816字字

9、8位的位的PROM十十六六条条字字线线八八条条位位线线20V十几微秒十几微秒编程脉冲编程脉冲 读出时，读出读出时，读出放大器放大器AR工作，写工作，写入放大器入放大器AW不工作。不工作。 写入时，在位写入时，在位线输入编程脉冲使线输入编程脉冲使写入放大器工作，写入放大器工作，且输出低电平，同且输出低电平，同时相应的字线和时相应的字线和VCC提高到编程电平，提高到编程电平，将对应的熔丝烧断。将对应的熔丝烧断。缺点：不能重复擦除。缺点：不能重复擦除。9三、可擦除的可编程只读存储器三、可擦除的可编程只读存储器（EPROM）（一）紫外线擦除的只读存储器（一）紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM） 是

10、最早出现的是最早出现的EPROM。通常说的。通常说的EPROM就是指这种。就是指这种。 1.使用浮栅雪崩注入使用浮栅雪崩注入MOS管管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，简称，简称FAMOS管。）管。） 写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较高电压后（如高电压后（如-20V），漏极），漏极PN结雪崩击穿，结雪崩击穿，部分高速电子积累在浮栅上，使部分高速电子积累在浮栅上，使MOS管导通。管导通。擦除：用紫外线或擦除：用紫外线或X射线擦除。需射线擦除。需2030分钟。分钟。 浮栅上电荷可长期保存在浮栅上电荷可长期保存在

11、125环环境温度下，境温度下，70%的电荷能保存的电荷能保存10年以上。年以上。存储单元如图。存储单元如图。 缺点：需要两个缺点：需要两个MOS管；编程电压偏高；管；编程电压偏高；P沟道管的开关速沟道管的开关速度低。度低。102.使用叠栅注入使用叠栅注入MOS管管SIMOS (Stacked-gate Injuction MOS)用用N沟道管；增加控制栅。沟道管；增加控制栅。 SIMOS管原来可导通，管原来可导通，开启电压约为开启电压约为2V。 注入电荷：在注入电荷：在DS间加高电压，同时在控制栅加间加高电压，同时在控制栅加25V、50mS宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压宽的脉

12、冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压相对较小。注入电荷后其开启电压达相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导通。，不能正常导通。 存储单元如下页图。存储单元如下页图。256字字X1位。已注入电荷的位。已注入电荷的SIMOS管存入的是管存入的是1。构造：构造：11这是一种双译码方式，这是一种双译码方式，行地址译码器和列地行地址译码器和列地址译码器共同选中一址译码器共同选中一个单元。每个字只有个单元。每个字只有一位。一位。（二）电可擦除（二）电可擦除EPROM(EEPROM或或E2ROM) 用紫外线擦除操作复杂，用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存速度很慢。必须寻找新的存储

13、器件，使得可以用电信号储器件，使得可以用电信号进行擦除。进行擦除。 使用浮栅隧道氧化层使用浮栅隧道氧化层MOS管管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)12写入（写写入（写0）擦除（写擦除（写1）读出读出 特点：浮栅与漏区间的氧特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（化物层极薄（20纳米以下），纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大称为隧道区。当隧道区电场大于于107V/cm时隧道区双向导通。时隧道区双向导通。GCGf漏极漏极 当隧道区的等效电容极当隧道区的等效电容极小时，加在控制栅和漏极间小时，加在控制栅和漏极间的电压大部分降在隧道区，的电压大部分降在隧道区，有利于隧

14、道区导通。有利于隧道区导通。存储单元：存储单元：擦除和写入均利擦除和写入均利用隧道效应用隧道效应10ms13快闪存储器就是针对快闪存储器就是针对此缺点研制的。此缺点研制的。（三）快闪存储器（三）快闪存储器(Flash Memory）采用新型隧道氧化采用新型隧道氧化层层MOS管。管。 EEPROM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单元需两只元需两只MOS管。管。1.隧道层在源区；隧道层在源区； 2.隧道层更薄隧道层更薄1015nm。在控制栅和源极间加。在控制栅和源极间加12V电电压即可使隧道导通。压即可使隧道导通。该管特点：该管特点：14存

15、储单元的工作原理：存储单元的工作原理：1.写入利用雪崩注入法。源极接地；写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接漏极接6V；控制栅；控制栅12V脉冲，宽脉冲，宽10 s。2.擦除用隧道效应。控制栅接地；擦除用隧道效应。控制栅接地；源极接源极接12V脉冲，宽为脉冲，宽为100ms。因为片内所有叠栅管的源极都连因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元。全部单元。3.读出：源极接地，字线为读出：源极接地，字线为5V逻辑高逻辑高电平。电平。6V0V12V10 s0V12V100ms快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用快闪存储器特点：集成度高，容

16、量大，成本低，使用方便。已有方便。已有64兆位产品问世。很有发展前途。兆位产品问世。很有发展前途。5V15第三节第三节 随机存储器（随机存储器（RAM）一、静态随机存储器一、静态随机存储器SRAM 特点：特点：RAM在工作时在工作时可随时对任意指定单元进行读或写操作。可随时对任意指定单元进行读或写操作。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。 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。也两种。也可称为读写存储器。可称为读写存储器。（一）（一）RAM的结构的结构1.存储矩阵存储矩阵21142.

17、地址译码：双译码。地址译码：双译码。3.读写控制电路：读写控制电路：六管单元六管单元片选信号片选信号CS：控制控制I/O端是否处在高阻状态。端是否处在高阻状态。读写控制信号读写控制信号R/ W：控制电路处于控制电路处于读出读出还是还是写入写入状态。状态。161024字字4位（位（2114）SRAM结构结构17（二）静态（二）静态RAM的存储单元的存储单元1.六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元六管六管NMOS2.六管六管CMOS静态存储单元静态存储单元3.双极型静态存储单元双极型静态存储单元18 利用利用MOS管管栅极电容栅极电容可以暂存电荷的原理制成。因此，可以暂存电荷的原理制成。因此，

18、存储单元简单，存储容量大。但栅极存储单元简单，存储容量大。但栅极电容电容很小，由于漏电的很小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电刷刷新新、再生再生。这就需要外围电路配合。这就需要外围电路配合。这里只介绍四管动态存储单这里只介绍四管动态存储单元。元。*二、动态随机存储器二、动态随机存储器DRAM读出：读出： 先加先加预充预充脉冲，使脉冲，使B和和B线充至线充至VDD,再使再使X信信号有效，就可在号有效，就可在B和和B线线上得到要求的电平。上得到要求的电平。 这也是刷新过程。这也是刷新过程。 如果使如果使Y信号也有信号也有效，就能读出了。效，就能读出了。写入：写入： 跟静态存储器跟静态存储器类似。类似。19第四节第四节 存储器容量的扩展存储器容量的扩展一、位扩展方式一、位扩展方式 方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和方法：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。读写信号）。输出并列。N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=8例：用例：用1024字字1位位RAM构成构成1024字字8位