第15讲半导体存储器1

1、1数 字 逻 辑Digital Logic青岛理工大学广义双语教学课程课程网站： 211.64.192.582半导体存储器半导体存储器和可编程逻辑器件和可编程逻辑器件第7章Memory and Programmable logic device Flash memory is a non-volatile computer storage technology that can be electrically erased and reprogrammed. Flash memory costs far less than byte-programmable EEPROM and theref

2、ore has become the dominant technology wherever a significant amount of non-volatile, solid state storage is needed.（1）37.1 半导体存储器概述半导体存储器概述1、从存、从存/取功能分取功能分 只读存储器只读存储器 ( ROM，Read-Only-Memory ) 随机读随机读/写存储器写存储器 ( RAM，Random-Access-Memory )2、从工艺分、从工艺分 双极型双极型 ( Bipolar Transistor ) MOS型型 ( Metal-Oxide-S

3、emiconductor )能存储大量二值信息的器件。能存储大量二值信息的器件。 单元数庞大单元数庞大 输入输入/ /输出引脚数目有限输出引脚数目有限4随机随机(读写读写)存储器存储器Random Access Memory (RAM)只读存储器只读存储器Read Only Memory (ROM)PROM 可编程序只读存储器可编程序只读存储器掩膜掩膜ROMEPROM 可擦除的可编程序只读存储器可擦除的可编程序只读存储器E2PROM 电可擦除的可编程序只读存储器电可擦除的可编程序只读存储器Flash Memory 快闪存储器（电可擦除）快闪存储器（电可擦除）双极型双极型MOS型型SRAMSta

4、tic RAM DRAMSRAMDynamic RAM 半导体存储器半导体存储器IC半导体半导体RAM在断电后数据会丢失在断电后数据会丢失，属于易失性属于易失性(Volatile)存储器存储器只读存储器属于非易失性存储器。只读存储器属于非易失性存储器。5存储器芯片内部： 地 Y0 A1 址 Y1 译 Y2 A0 码 Y3 器存储单元00存储单元01存储单元10存储单元11A0A1地址线条数地址线条数K，可寻址可寻址2K单元单元 半导体存储器芯片半导体存储器芯片 Memory ChipA memory unit is a collection of storage cells together

5、with associated circuits needed to transfer information in and out of storage. The memory stores binary information in groups of bits called words. 存储单元增加，地址线条数也迅速增加，地址译码器变复杂Each word in memory is assigned an identification number, called an address, starting from 0 and continuing with 1,2,3, up to

6、2k-1 where k is the number of address lines. 6行地址译码 列地址译码 A0A1A3A2读写控制 I/OCSWR/Row Address Column Address 44 存储矩阵1110010011100100三态输出 半导体半导体RAM芯片内部芯片内部The selection of a specific word inside the memory is done by applying the k-bit binary address to the address lines. A decoder inside the memory acc

7、epts this address and opens the path needed to select the bits of the specified word.Chip Select7半导体存储器的半导体存储器的一般结构形式一般结构形式A word in memory is an entity of bits that move in and out of storage as a unit. 87.2.1 掩模掩模ROM7.2 只读存储器只读存储器 ROM掩模掩模ROM基本结构：基本结构：9举例：ABY&ABY1EN10011111001001110110101000D0D

8、1D2D3A0A1数 据地址A0An-1W0W(2n-1)D0Dm字线位线EN译码器存储矩阵11 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“存储单元存储单元”，存储单元中有，存储单元中有器件存入器件存入“1”，无器件存入，无器件存入“0”两个概念：两个概念：存储器的容量：存储器的容量：“字数字数 位数位数”M字字 N位位ENEN12掩模ROM的特点：出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产简单，便宜，非易失性当只需要少量芯片的时候？当只需要少量芯片的时候？ENEN137.2.2 可编程可编程只读存储器只读存储器 （ PROM）总体结构与掩模总体结构与掩模ROM一一样，但存储单元不同样

9、，但存储单元不同编程时将不用的熔断有出厂时，每个结点上都熔丝由易熔合金制成一次性编程，不能改写写入时，要使用编程器写入时，要使用编程器（Programmable ROM）147.5 用存储器设计组合逻辑电路用存储器设计组合逻辑电路1、基本原理、基本原理从从ROM的数据表可见：的数据表可见： 若以地址线为输入变量，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则数据线即为一组关于地址变量的逻辑函数011111001001110110101000D0D1D2D3A0A1数 据地 址EN15用存储器实现组合逻辑函数3Y2Y1Y0Y010101AAAAAA0101AAAA0101AAAA

10、0101AAAA011111001001110110101000D0D1D2D3A0A1数 据地 址011111001001110110101000Y0Y1Y2Y3A0A1输 出输 入16变成最小项之和的形式产生逻辑函数：PROM例如：用ABCDDCBAYDCBADABCYBCDADBCDCBAYCBABCAY4321),(),(),(),(15214414107676324321mYmYmYmY用存储器实现组合逻辑函数17用存储器实现组合逻辑函数做数据表做数据表111111111000000000000001100000000000000000000000000000000000000111

11、011101001110010100000CBA4YD00000000100000113Y2Y1Y1100101110100111011111111),(),(),(),(15214414107676324321mYmYmYmY18用存储器实现组合逻辑函数110111110011000101001001100110100010000100000000CBA4YD000000001000001101000000000000003Y2Y1Y11001011000100001010011100000000011100110001111119只读只读存储器芯片外部：（符号，引脚）ROM（PROM，EP

12、ROM，E2PROM）芯片： 常见：8A0A9 10244 ROMD0 D1 D2 D3OECS练习：画ROM芯片 32K8 Output Enable20)(MOSInjectiongateStackedSIMOS浮置栅控制栅:fcGG通处正常逻辑高电平下导上未充负电荷，则若cfGG管叠栅注入MOS工作原理：导通处正常逻辑高电平下不上充以负电荷，则若cfGG7.2.3 可擦除的可编程可擦除的可编程只读存储器只读存储器 （EPROM）1、用紫外线擦除的、用紫外线擦除的EPROMUVEPROM (Ultra-Violet EPROM)10Erasable PROM21发生雪崩击穿）间加高压（“写

13、入”：雪崩注入,2520,VSD宽的正脉冲，上加同时在msVGc50,2525V25VGND111无无110+ + + +开启电压加大开启电压加大+ + + + +开启电压开启电压5V5VGND形成注入电荷到达吸引高速电子穿过,2fGSiOUVEPROM （Ultra-Violet EPROM）22UVEPROM不能在线编程，擦除不便不能在线编程，擦除不便空穴对，提供泄放通道照射产生电子“擦除”：通过紫外线分钟紫外线照射3020EPROM擦除器232、电可擦除的可编程、电可擦除的可编程ROM（E2PROM）)(管浮栅隧道氧化层采用点擦除慢，操作不便的缺为克服MOSFLOTOXUVEPROMmS

14、iODGf82102厚度之间有小的隧道区，与总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同电子会穿越隧道）（当场强达到一定大小,/107cmV“隧道效应”Floating Gate Tunnel Oxide24工作原理：上电荷经隧道区放电加正脉冲，接放电：fjiCGBWG,0导通）下，电压（未充电荷时，正常读出截止）下，电压（充电荷后，正常读出1133TVGTVGGCCfE2PROM (Electronic Erasable PROM)选通管fjCiGBmsVGW电子隧道区接的正脉冲，加充电：, 010,20,能在线编程，按字擦除能在线编程，按字擦除/改写改写257.2.4 快闪存储器快闪存储器（F

15、lash Memory）为提高集成度，省去选通管T2,改用叠栅MOS管（类似SIMOS管）Flash memory stores information in an array of memory cells made from floating-gate transistors.On top is the control gate (CG), as in other MOS transistors, but below this there is a floating gate (FG) insulated all around by an oxide layer. Because the

16、FG is electrically isolated by its insulating layer, any electrons placed on it are trapped there and, under normal conditions, will not discharge for many years. （隧道区）区有极小的重叠区与）更薄（与衬底间SGnmSiOGff1510226快闪存储器（Flash Memory）工作原理：上电荷经隧道区放电的正脉冲，加，放电，利用隧道效应fsscfGmsVVGG100120写入原理与EPROM相同。电子进入浮置栅间发生雪崩击穿，的正脉冲。，加接），加正压（，充电利用雪崩注入方式向SDusVGVVSDGcssf101206擦除利用隧道效应。27 各种PROM、EPROM、EEPROM、 Flash Memory在读出时的速度与RAM基本相同。 EEPROM和 Flash Memory虽然可以在线擦除、改写，但是写的速度很慢，所以不能当RAM用。 PROM和EPROM必须用编程器才能写入。 EPROM和EEPROM的价格高。 Flash Memory价格低，集成度高。 EEPROM可以一个字一个字的改写。 Flash Memory只能整片（或芯片中的一个分区）擦除、改写。Fla