阎石第五版第七章-第一讲.

1、第七章第七章 半导体存储器半导体存储器第一讲第一讲 只读存储器只读存储器第二讲第二讲 随机存储器随机存储器第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器本章要求本章要求 熟练掌握熟练掌握半导体存储器的分类、特点；半导体存储器的分类、特点； 熟练掌握熟练掌握半导体存储器的容量计算方法及扩展方法半导体存储器的容量计算方法及扩展方法 （字扩展、位扩展）；（字扩展、位扩展）； 掌握掌握半导体存储器实现组合逻辑函数的方法；半导体存储器实现组合逻辑函数的方法； 理解理解ROMROM、RAMRAM存储单元的结构及工作原理。存储单元的结构及工作原理。1 1、半导体存储器定义及分类、半导体存储器定义及

2、分类2 2、只读存储器特点及分类、只读存储器特点及分类 3 3、ROMROM的结构的结构4 4、存储容量：、存储容量：、腌膜、腌膜ROMROM结构及存储数据原理结构及存储数据原理、可编程、可编程ROM(PROM)ROM(PROM)原理及特点原理及特点 、可擦除的可编程、可擦除的可编程ROMROM种类、原理、特点种类、原理、特点、用、用ROMROM实现组合逻辑函数原理及方法实现组合逻辑函数原理及方法第一讲第一讲 只读存储器只读存储器第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器对存储器的操作通常分为两类：对存储器的操作通常分为两类：写写即把信息存入存储器的过程即把信息存入存储器的过程读

3、读即从存储器中取出信息的过程即从存储器中取出信息的过程 半导体存储器是一种能存储大量半导体存储器是一种能存储大量二值数字信息二值数字信息的大规模的大规模集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分。集成电路，是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分。按制造工艺来分：按制造工艺来分：半导体半导体存储器存储器双极型双极型MOSMOS型型一、概一、概 述述1 1、定义：、定义：2 2、分类：、分类：第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器半导体半导体存储器存储器ROMROMEPROMEPROM快闪存储器快闪存储器PROMPROME E2 2PROMPROM按使用的功能来分：

4、按使用的功能来分：固定固定ROMROM（又称掩膜（又称掩膜ROMROM）可编程可编程ROMROMRAMRAMSRAMSRAMDRAMDRAM(Static)(Static)(Dynamic)(Dynamic)第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器3 3、只读存储器、只读存储器(ROM)(ROM)ROM ： 是存储固定信息的存储器件，即先把信息或数据是存储固定信息的存储器件，即先把信息或数据 写入存储器中，写入存储器中，在正常工作时在正常工作时，它存储的数据是，它存储的数据是 固定不变的，只能读出，不能写入固定不变的，只能读出，不能写入, ,其信息可以长其信息可以长 期保存，断

5、电也不会丢失。期保存，断电也不会丢失。 （1）特点：）特点： 只能读出，不能写入；只能读出，不能写入； 属于组合电路，电路简单，集成度高；属于组合电路，电路简单，集成度高； 具有信息的不易失性；具有信息的不易失性； 存取时间在存取时间在20ns20ns50ns50ns。 缺点：缺点：只适应存储固定数据的场合。只适应存储固定数据的场合。（R Read ead O Only nly M Memoryemory）第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器按使用的器件的类型分按使用的器件的类型分 （2）ROM的分类的分类二极管二极管ROMROM 三极管三极管ROMROM MOSMOS管管

6、ROMROM第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器掩模掩模ROMROM：出厂时已完全固定下来，使用时无法再更改，：出厂时已完全固定下来，使用时无法再更改， 也称固定编程也称固定编程ROMROM。 PROMPROM：允许用户根据需要写入，但只能写一次。：允许用户根据需要写入，但只能写一次。EPROMEPROM：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，但操：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，但操 作复杂、费时。作复杂、费时。EEPROMEEPROM：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，操作：允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入，操作 比较简便、快捷。比较简便、

7、快捷。闪速存储器：仍是闪速存储器：仍是ROMROM，兼有，兼有EPROMEPROM、EEPROMEEPROM、RAMRAM的特点，既的特点，既 有存储内容非丢失性，又有快速擦写和读取的特性。有存储内容非丢失性，又有快速擦写和读取的特性。按数据的写入方式分：按数据的写入方式分：第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器地地址址译译码码器器W0W1W2 1nA0A1An1存储矩阵存储矩阵输出缓冲器输出缓冲器Dm1 1D0三态控制三态控制 地址译码器地址译码器 将输入的地址代码译成将输入的地址代码译成相应的控制信号，用它从存相应的控制信号，用它从存储矩阵中将指定的单元选出，储矩阵中将指

8、定的单元选出，并把其中的数据送到输出缓并把其中的数据送到输出缓冲器。冲器。 输出缓冲器输出缓冲器 一是能提高存储器的带负载能一是能提高存储器的带负载能力，二是实现对输出状态的三态控力，二是实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线连接。制，以便与系统的总线连接。 存储矩阵存储矩阵存储矩阵由许多存储单元排列而成存储矩阵由许多存储单元排列而成 （3）ROM的结构的结构第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器信息单元信息单元( (字字) )存储单元存储单元W W0 0W W1 1W W2 2W W2 2n-1n-1字线字线D D0 0D Dm-1m-1D Dm-2m-2 位线位线（数

9、据线）（数据线）2 2n nm第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器字长：字长：一个字中所含二进制数的位数。一个字中所含二进制数的位数。存储器的容量存储器的容量 = = 字数（字数（ 2 2n n ） 字长（字长（m m ） 例如：例如：20482048* *8 8表示这个表示这个ROMROM有有20482048个字，每个字的字长是个字，每个字的字长是8 8位。位。 例如：例如：一个一个1010位地址码、位地址码、8 8位输出的位输出的ROMROM，其存储矩阵的容量为，其存储矩阵的容量为: :2 2、某存储器芯片的容量为、某存储器芯片的容量为32K32K8 8位，则其地址线和

10、数据线位，则其地址线和数据线的根数分别为的根数分别为 ( )( )。1 1、存储容量为、存储容量为8 K8 K8 8位的位的ROMROM存储器，其地址线为存储器，其地址线为( )( )条、条、数据线有（数据线有（ ）条。）条。 练习：练习：2108=10248=1k81315、8字：字：若干个二进制存储单元构成一个字。若干个二进制存储单元构成一个字。4、存储容量：、存储容量：8第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器二、腌膜二、腌膜ROM(ROM(固化固化ROM)ROM) 采用腌膜工艺制作采用腌膜工艺制作ROMROM时，其存储的数据是由制作过程中的时，其存储的数据是由制作过程中

11、的腌膜板决定的。这种腌膜板是按照用户的要求而专门设计的。因腌膜板决定的。这种腌膜板是按照用户的要求而专门设计的。因此，腌膜此，腌膜ROMROM在出厂是内部存储的数据就在出厂是内部存储的数据就“固化固化”在里面了，使用在里面了，使用时无法再更改。时无法再更改。1 1、基本构成、基本构成 主要由主要由地址译码器地址译码器、存储矩阵存储矩阵和和输出缓冲器输出缓冲器三三部分组成。部分组成。第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器 字线和位线的每个交叉点字线和位线的每个交叉点代表一个存储单元，交叉处接代表一个存储单元，交叉处接有二极管的单元，表示存储数有二极管的单元，表示存储数据为据为“

12、1”1”，无二极管的单元，无二极管的单元表示存储数据为表示存储数据为“0”0”。交叉。交叉点的数目也就是存储单元数。点的数目也就是存储单元数。 第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器地址译码器W0W1W2W3RRRR输出缓冲器D3D2D1D0D3D2D1D0三态控制存储矩阵A1A0地址数据A1A0D3D2D1D0001001010111101110110101数据表数据表第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器地址数据A1A0D3D2D1D0001001010111101110110101若：将输入地址若：将输入地址A A1 1A A0 0视为输入变视为输入变

13、量，而将量，而将D D3 3、D D2 2、D D1 1、D D0 0视为一组视为一组输出逻辑变量，输出逻辑变量，则则D D3 3、D D2 2、D D1 1、 D D0 0就是就是A A1 1、A A0 0的一的一组逻辑函数。组逻辑函数。 310010101021010113210110122011013mmmAAAAAADmmAAAADmmmAAAAAADmmAAAAD第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器与阵列或阵列W0W1W2 1nDm1D0An1A0(1)ROM(1)ROM的阵列框图的阵列框图(2)ROM(2)ROM的阵列图的阵列图W0W1W2W3D3D2D1D01

14、A1A01310010101021010113210110122011013mmmAAAAAADmmAAAADmmmAAAAAADmmAAAAD第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器ROM在组合逻辑设计中的应用在组合逻辑设计中的应用 用用ROMROM实现逻辑函数一般按以下步骤进行：实现逻辑函数一般按以下步骤进行： (1)(1)根据逻辑函数的输入、输出变量数，确定根据逻辑函数的输入、输出变量数，确定ROMROM容容 量，选择合适的量，选择合适的ROMROM。(2) (2) 写出逻辑函数的最小项表达式，画出写出逻辑函数的最小项表达式，画出ROMROM阵列图。阵列图。(3) (3)

15、 根据阵列图对根据阵列图对ROMROM进行编程。进行编程。 第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器例例 1 1： 用用ROMROM实现四位二进制码到格雷码的转换。实现四位二进制码到格雷码的转换。 解：解：(1) (1) 输入是四位二进制码输入是四位二进制码B B3 3B B0 0，输出是四位格雷码，故，输出是四位格雷码，故选用容量为选用容量为2 24 44 4的的ROMROM。 (2) (2) 列出四位二进制码转换为格雷码的真值表，如列出四位二进制码转换为格雷码的真值表，如表表1 1 所示。由表可写出下列所示。由表可写出下列最小项表达式：最小项表达式： )15,14,13,1

16、2,11,10, 9 , 8(3G)11,10, 9 , 8 , 7 , 6 , 5 , 4(2G)13,12,11,10, 5 , 4 , 3 , 2(1G)14,13,10, 9 , 6 , 5 , 2 , 1 (0G第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15G0G1G2G3B0B1B2B3四位二进制码转换为四位格雷码阵列图：四位二进制码转换为四位格雷码阵列图： 第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器例例 2 2 用用ROMROM实现字符发生器实现字符发生器 以以7 75 5字符发生

17、器存储字符为例字符发生器存储字符为例 思考思考: :应选应选多大容量多大容量的存储器的存储器? ? 数据表数据表? ? 第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器用用MOSMOS管工艺制作管工艺制作ROMROM时，译码器、存储矩阵和输时，译码器、存储矩阵和输出缓冲器全用出缓冲器全用MOSMOS管构成。管构成。第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器三、可编程三、可编程ROM(PROM) ROM(PROM) 字 线WiUCC熔 丝位 线Di(a)字 线熔 丝(b)位 线 熔丝型熔丝型PROMPROM的存储单元的存储单元 存数方法：存数方法：熔丝法熔丝法和和击穿法击穿

18、法字线Wi位线DiVD1VD2字线Wi位线Di(a)(b)VD1 PN PN结击穿法结击穿法PROMPROM的存储单元的存储单元 加高电压将熔丝化断，即加高电压将熔丝化断，即可将存可将存0 0的位置的丝熔断的位置的丝熔断。 写入时，写入时，找出要写找出要写0 0的位置，的位置，加入编程加入编程的脉冲电的脉冲电平，使平，使AwAw输出低电输出低电平，有较平，有较大的脉冲大的脉冲电流流过电流流过熔丝，将熔丝，将其熔断。其熔断。16168 8位结构原理图位结构原理图第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器四、可擦除的可编程四、可擦除的可编程ROMROM电擦除，一般芯片内部带有升压电路

19、，可以直接读写电擦除，一般芯片内部带有升压电路，可以直接读写E E2 2PROMPROM，擦除时间短擦除时间短(ms(ms级级) )，可对，可对单个单个存储单元擦除。存储单元擦除。读出：读出：3V3V；擦除：；擦除：20V20V；写入：；写入：20V20V。EPROMEPROM：光擦除可编程：光擦除可编程ROMROM（UVEPROMUVEPROM）E E2 2PROMPROM：电擦除可编程：电擦除可编程ROMROMFLASH ROMFLASH ROM：电擦除可编程：电擦除可编程ROMROM紫外线照射擦除，时间长紫外线照射擦除，时间长20203030分钟分钟整片整片擦除擦除写入一般需要专门的工具

20、写入一般需要专门的工具结合结合EPROMEPROM和和EEPROMEEPROM的特点，构成的电路形式简单，集成度高，的特点，构成的电路形式简单，集成度高， 可靠性好。可靠性好。 擦除时间短擦除时间短(ms(ms级级) )，整片整片擦除、或擦除、或分块分块擦除。擦除。读出：读出：5V5V；写入：；写入：12V12V；擦除：；擦除：12V(12V(整块擦除整块擦除) )第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器1、EPROM GfGcSDSiO2NNPGcDSGf SIMOS SIMOS管的结构和符号管的结构和符号 EPROM EPROM的存储单元采用叠栅雪崩注入的存储单元采用叠栅雪

21、崩注入MOSMOS管管 浮置栅上浮置栅上注入了注入了负负电荷电荷相当相当于写入了于写入了1 1，未注，未注入电荷的入电荷的相当于存相当于存入了入了0 0浮置栅上注浮置栅上注入了入了负电荷负电荷后必须在后必须在G GC C端加更高的端加更高的电压管子才电压管子才能导通能导通SIMOS管2561EPROM第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器 写入一般需要专门的工具写入一般需要专门的工具: :编程器编程器 编程器编程器: :用于产生用于产生EPROMEPROM编程所需要的高压脉冲装编程所需要的高压脉冲装置置. . 擦除一般需要专门的工具擦除一般需要专门的工具: :擦除器擦除器 擦

22、除器中的紫外线灯产生一定强度的紫外线，擦除器中的紫外线灯产生一定强度的紫外线， EPROMEPROM经过紫外线照射，时间长经过紫外线照射，时间长20203030分钟，可分钟，可将将 存储的数据擦除。存储的数据擦除。 整片擦除整片擦除第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器GfGcSDSiO2NNPGcDSGf隧 道 区 Flotox Flotox管的结构和符号管的结构和符号 2、 E2PROM E E2 2PROMPROM的存储单元采用浮栅隧道氧化层的存储单元采用浮栅隧道氧化层MOSMOS管管 第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器 E E2 2PROMPRO

23、M的存储单元（的存储单元（FlotoxFlotox） V2V1S1Gc字 线Wi位线DiD1若浮置栅上没有若浮置栅上没有充负电荷充负电荷D Di i为为0,0,否否则为则为1 1读出状态读出状态时字线时字线为为5V5V电压，电压，G GC C加加3V3V电压，电压，第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器（a a）读出状态读出状态（b b）擦除（写擦除（写1 1）状态）状态（c c）写入（写写入（写0 0）状态）状态第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器3、 快闪存储器快闪存储器(Flash Memory) SGcDGcSD字 线位 线DiWiUSS(b)Gf

24、GcSDNNP(a)隧 道 区(a)(a)叠栅叠栅MOSMOS管管( (b b) ) 符号符号SGcDGcSD字 线位 线DiWiUSS(b)GfGcSDNNP(a)隧 道 区存储原理存储原理: :浮置栅与衬底氧化层极薄浮置栅与衬底氧化层极薄(10-15nm)(10-15nm)当控制栅和源极间加上电压时当控制栅和源极间加上电压时, ,大部分电压都降在浮置栅与源大部分电压都降在浮置栅与源 极之间的电容上。极之间的电容上。用雪崩的方法使用雪崩的方法使浮栅充电浮栅充电充电后开启电压充电后开启电压升高为升高为7V7V。第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器 存储单元存储单元SGcDG

25、cSD字 线位 线DiWiUSS(b)GfGcSDNNP(a)隧 道 区读出时，字线加读出时，字线加+5V+5V电压，电压，V VSSSS=0=0若浮栅上没有充电，管子导通，若浮栅上没有充电，管子导通，DiDi=0=0。若浮栅上已充电，开启电压不足若浮栅上已充电，开启电压不足7V7V，管子截止，管子截止，DiDi=1=1。写写1 1时，时，U UDSDS=6V=6V，U UGCGC=12V=12V，DSDS间间发生雪崩击穿，浮栅充电。发生雪崩击穿，浮栅充电。擦除时，擦除时，V VSSSS=12V=12V，U UGCGC=0V=0V，浮栅，浮栅与源区间极小的重叠重叠部分产与源区间极小的重叠重叠部

26、分产生隧道效应，浮栅电荷放电。生隧道效应，浮栅电荷放电。放电后开启电压降低为放电后开启电压降低为2V2V。第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器 常用的常用的E E2 2PROMPROM存储器有存储器有: : 28162816、28642864、28172817。 常用的常用的EPROMEPROM存储器有存储器有: : 27162716、27642764。五、五、 典型典型ROM芯片举例芯片举例1EPROM2764VVppccCSPGMAADD12007地2764AA120DD7CS0PGMVppccV引脚功能地址输入芯片使能编程脉冲电压输入数 据AAAAAAAAAAA012

27、345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410127PGM(PGM)VIH20CSOECSOE221112131516171819地址输入数据据输出VCCVPP28GND14第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器2E2PROM 2816A Intel 2816A Intel 2816A 是是2K2K8 8位位E E2 2PROMPROM，数据，数据读 出 时 间 为读 出 时 间 为 2 0 02 0 0 250nS250nS，擦除和写入，擦除和写入（同时进行）为（同时进行）为10mS10mS，读工作电压和写

28、（擦）读工作电压和写（擦）工作电压均为工作电压均为5V5V，故，故不需要专门的编程器，不需要专门的编程器，且可实现在线读写。且可实现在线读写。第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器ROM的新发展的新发展 非易失随机存储器非易失随机存储器NVRAMNVRAM（Non Volatile RAMNon Volatile RAM） 是一种非易失性的随机读写存储器，它既能快速存取，是一种非易失性的随机读写存储器，它既能快速存取，断电时又不会丢失数据，所以同时具有断电时又不会丢失数据，所以同时具有RAMRAM和和ROMROM的优点。的优点。 第七章 半导体存储器 第一讲第一讲 只读存储器只读存储器复习与回顾1 1、半导体存