第七章半导体存储器1教材课件

第七章半导体存储器学习要点：介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方法只读存储器(ROM、PROM、EPROM和快闪存储器)随机存储器（DRAM、SRAM）存储器容量的扩展及用存储器设计组合逻辑电路的概念第七章半导体存储器学习要点：17.4存储器容量的扩展7.3随机存储器（RAM）7.2只读存储器（ROM）7.1概述7.5用存储器实现组合逻辑函数第七章半导体存储器7.4存储器容量的扩展7.3随机存储器（RAM27.1概述半导体存储器是能存储大量二值信息的半导体器件。从存、取功能上分为衡量存储器性能的重要指标：存储容量和存取速度。只读存储器（ROM）优点：电路结构简单，断电后数据不丢失缺点：只适用于存储固定数据的场合随机存储器（RAM）从制造工艺上分为双极型MOS型功耗低，集成度高，适于制作大容量的存储器DRAM:结构简单，集成度高，速度低SRAM:集成度低，速度高7.1概述半导体存储器是能存储大量37.2只读存储器（ROM）7.2.1掩模只读存储器(ROM)退出7.2.2可编程只读存储器(PROM)7.2.3可擦除的可编程只读存储器(EPROM)7.2只读存储器（ROM）7.2.1掩模只读存储器4存储容量＝字线数×位线数＝2n×b（位）存储单元地址将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用控制信号从存储矩阵中选出指定的单元，并把其中的数据送到输出缓冲器有许多存储单元（二极管、双极型三极管或MOS管）排列组成。每个单元存放1位二值代码（0或1）。每一组存储单元有一个对应的地址代码。能提高存储器的带负载能力，实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线联接7.2.1掩模只读存储器(ROM)存储容量＝字线数×位线数＝2n×b（位）存储单元地址将输入的5地址数据A1A0D3D2D1D00

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0地址线位线字线与位线的每个交叉点都是一个存储单元。交点处接有二极管相当于存1，没接二极管时相当于存0。交叉点的数目=存储单元数，存储容量=(字数)×(位数)用二极管制作的ROMW0W1W2W3二极管与门阵列—译码器二极管或门阵列—编码器字线地址数据A1A0D3D2D1D006用MOS工艺制作的ROM用N沟道增强型MOS管代替二极管。字线与位线的每个交叉点处接有MOS管相当于存1，没接MOS管时相当于存0。注：接有MOS管的位线由于MOS管导通为低电平，经反相缓冲器输出为高电平。用MOS管构成的存储矩阵用MOS工艺制作的ROM用N沟道增强型MOS管代替二极管74×4位ROM地址译码器存储体4×4位ROM地址译码器存储体8存储内容未连接的或门对于给定的地址，相应一条字线输出高电平，与该字线相连接的或门输出为1，输出为0。存储内容未连接的或门对于给定的地址，相应一条字线输出高电平9A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D0=1D2=0A1=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D010A1=0A0=1W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D0=1D2=1A1=0W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D011A1=1A0=0W0=0W1=0W2=1W3=0D3=1D1=0D0=0D2=1A1=1W0=0W1=0W2=1W3=0D3=1D1=0D012A1=1A0=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D0=1D2=1A1=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D013ROM的简化画法地址译码器产生了输入变量的全部最小项存储体实现了有关最小项的或运算与阵列固定或阵列可编程连接断开ROM的简化画法地址译码器产生了输入变量的全部最小项存储体实14熔丝型PROM的存储单元7.2.2可编程只读存储器(PROM)出厂时所有存储单元都存入1。编程时先输入地址代码，找出要写入0的单元地址。然后使VCC和选中的字线提高到编程所需要的高电平，同时在编程单元的位线上加入编程脉冲(幅度约20V，持续时间约几微秒)，此时写入放大器AW的输出为低电平，低内阻状态，熔丝熔断。PROM的内容一经写入，就不能修改。PROM管的结构原理图熔丝型PROM的存储单元7.2.2可编程只读存储器(PRO157.2.3可擦除的可编程只读存储器(PROM)一、EPROM(UVEPROM)—采用叠栅注入MOS管（SIMOS）制作的存储单元控制栅GC用于控制读出和写入。浮置栅Gf用于长期保存注入电荷。1.浮置栅上未注入电荷以前，在控制栅上加入正常高电平电压，能够使漏—源之间产生导电沟道，SIMOS导通。2.浮置栅上注入负电荷以后，必须在控制栅上加入更高电压才能抵消注入电荷的影响而形成导电沟道，因此在栅极加上正常的高电平信号时SIMOS不会导通。EPROM具有和录音带相似的特点：一方面，在停电以后，信息可长期保存；另一方面，当不需这些信息时，又可擦去重写。用紫外线照射进行擦除的UVEPROM、用电信号擦除的E2PROM和快闪存储器(FlashMemory)。7.2.3可擦除的可编程只读存储器(PROM)一、EPRO16浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。用紫外线照射芯片上的玻璃窗，则形成光电电流，把栅极电子带回到多晶硅衬底，SIMOS管恢复到初始的导通状态。浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。用紫外线照17第七章半导体存储器(1)教材课件18二、E2PROM（电信号可擦除的可编程ROM）

前面研究的可擦写存储器的缺点是要擦除已存入的信息必须用紫外光照射一定的时间，因此不能用于快速改变储存信息的场合，用隧道型储存单元制成的存储器克服了这一缺点，它称为电可改写只读存储器E2PROM，即电擦除、电编程的只读存储器。它与叠栅型管的不同在于浮栅延长区与漏区N之间的交叠处有一个厚度约为80埃的薄绝缘层，称为隧道区。浮栅隧道氧化层MOS管存储管选通管二、E2PROM（电信号可擦除的可编程ROM）19三、快闪存储器（FlashMemory）闪速存储单元去掉了隧道型存储单元的选择管，它不像E2PROM那样一次只能擦除一个字，而是可以用一个信号，在几毫秒内擦除一大区段。因此，闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简单、更有效，使用闪速存储单元制成的PLD器件密度更高。三、快闪存储器（FlashMemory）20闪速存储单元又称为快擦快写存储单元。Flash工作原理类似于叠栅型存储单元，但有两点不同之处：

1.闪速存储单元源极的区域Sn+大于漏极的区域Dn+，两区域不是对称的，使浮栅上的电子进行分级双扩散，电子扩散的速度远远大于叠栅型存储单元；

2.叠栅存储单元的浮栅到P型衬底间的氧化物层约200埃左右，而闪速存储单元的氧化物层更薄，约为100埃。快闪存储器中的叠栅MOS管快闪存储器的存储单元字线位线WiBjVSSGcDS闪速存储单元又称为快擦快写存储单元。Flash工作原理类似于21利用雪崩击穿的方法使浮栅充电(a)读出状态字线位线WiBjVSSGcDS+5V0V若浮置栅上没有充电，位线上输出低电平；若浮置栅上充有负电荷，位线上输出高电平；+12V(b)写入（写1）状态字线位线WiBjVSSGcDS+6V0V利用隧道效应完成(c)擦除（写0）状态字线位线WiBjVSSGcDS0V+12V利用雪崩击穿的方法使浮栅充电(a)读出状态字线位线W227.3随机存储器（RAM）特点：工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，静态随机存储器(SRAM)优点：读、写方便，使用灵活。缺点：一旦停电，所存储的数据将随之消失。也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中。动态随机存储器(DRAM)7.3随机存储器（RAM）特点：工作时可以随时从任何一个237.3随机存储器（RAM）7.3.1静态随机存储器(SRAM)退出7.3.2动态随机存储器(DRAM)7.3随机存储器（RAM）7.3.1静态随机存储器24CS'R/W'由大量存储单元构成的矩阵用以决定访问哪个字单元读出及写入数据的通道用以决定芯片是否工作用以决定对被选中的单元是读还是写7.3.1静态随机存储器(SRAM)一、SRAM的结构和工作原理CS'R/W'由大量存储单元用以决定访问读出及写入用以决定25地址的选择通过地址译码器来实现。地址译码器由行译码器和列译码器组成。行、列译码器的输出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。256×4RAM存储矩阵中，256个字需要8位地址码A7～A0。其中高3位A7～A5用于列译码输入，低5位A4～A0用于行译码输入。A7～A0=00100010时，Y1=1、X2=1，选中X2和Y1交叉的字单元。01000100存储单元1024个存储单元排成32行×32列的矩阵地址的选择通过地址译码器来实现。地址译码器由行译码器和列译码261024

4位RAM（2114）的结构框图A0A1A2A9A3A4A5A6A7A8I/O0

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I/O2I/O3CS'R/W'10244位RAM（2114）的结构框图A0A27

MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态。二、SRAM的静态存储单元六管NMOS静态存储单元RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。T1、T2、T3及T4构成SR锁存器T5及T6是行选（门控）管，是一行中公用的字线T7及T8是列选管，是一列公用的列地址译码器的输出MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而28

MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态。二、SRAM的静态存储单元六管NMOS静态存储单元

RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。0111数据读出MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管29

MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态。六管NMOS静态存储单元二、SRAM的静态存储单元

RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。00当使能为低电平，写也为低电平时，三态门A2将输入数据Di通过T7、T5作用于T3栅极，同时将Di的互补值通过T8及T6作用于T1的栅极，从而使触发器按Di翻转，完成写入。11数据写入D'iDiDiMOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管30二、SRAM的静态存储单元双极型RAM的静态存储单元六管CMOS静态存储单元二、SRAM的静态存储单元双极型RAM的静态存储单元六管CM31集成2kB×8位RAM6116写入控制端片选端输出使能端集成2kB×8位RAM6116写入控制端片选端输出使能端327.3.2动态随机存储器(SRAM)DRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容读出时，为破坏性读出，使用时需周期性刷新必须配备“读出再生放大电路”进行刷新DRAM一般采用“位结构”存储体：每个存储单元存放一位需要8个存储芯片构成一个字节单元每个字节存储单元具有一个地址7.3.2动态随机存储器(SRAM)DRAM的基本存储33位扩展将地址线、读／写线和片选线对应地并联在一起输入／输出（I/O）分开使用作为字的各个位线7.4存储容量的扩展用8片1024×1位RAM扩展成1024×8位RAM位扩展将地址线、读／写线和输入／输出（I/O）分开7.434用4片256×8位RAM扩展成1024×8位RAM输入／输出（I/O）线并联要增加的地址线A8、A9与译码器的输入相连，译码器的输出分别接至8片RAM的片选控制端字扩展用4片256×8位RAM扩展成1024×8位RAM输入／输出35各片RAM电路的地址分配表器件编号A9A8Y0Y1Y2Y3地址范围A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

（等效十进制数）RAM（1）0001110000000000~0011111111

（0）（255）RAM（2）0110110100000000~0111111111

（256）（511）RAM（3）1011011000000000~1011111111

（512）（767）RAM（4）1111101100000000~1111111111

（768）（1023）各片RAM电路的地址分配表器件编号A9A8Y0Y1Y236

ROM电路中的译码器的输出包含了输入变量全部的最小项，而每一位数据输出又是若干个最小项之和，因而任何形式的组合逻辑函数均能通过向ROM中写入相应的数据来实现。7.5用存储器实现组合逻辑函数A1A0D0D1D2D3000110110101101101101100原理用具有n位输入地址、m位数据输出的ROM可以获得一组(最多为n个)任何形式的n变量组合逻辑函数，只要根据函数的形式向ROM中写入相应的数据。此原理也适用于RAM。ROM电路中的译码器的输出包含了输入变量全37【例7.5.1】用ROM设计一个八段字符显示的译码器，其真值表为：

【例7.5.1】用ROM设计一个八段字符显示的译码器，其真值38例如a的状态分别为1011011111100011例如a的状态分别为101101111110001139解：将上式化为最小项和的形式得到例2：用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数或解：将上式化为最小项和的形式得到例2：用ROM产生如下的一组40取4位地址输入，4位数据输出