数字电子技术 第六版 课件 第9章 半导体存储器

第9章半导体存储器9.1概述

9.2只读存储器（ROM）

9.3随机存取存储器（RAM）本章小结只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）双极型了解存储器的作用和分类，理解它们的用途；理解ROM和

RAM的电路结构、工作原理；用ROM实现组合逻辑函数的方法以及用RAM拓展存储容量的方法。概述存储器——计算机和其他数字系统中用以存储大量信息（数据）的部件。随着计算机的运算速度不断提高，要处理的数据量越来越大，这就要求存储器有更大的存储容量和更快的存取速度。因此存储器是计算机和其他数字系统中不可缺少的重要组成部分。信息存取方式分类制造工艺分类本章重点单极型（MOS）概述随机存取存储器(RAM，

即RandomAccessMemory)RAM是随机存取存储器，既能读出信息又能写入信息。但断电后其数据将全部丢失。它用于存放一些临时数据和中间处理数据结果，如计算机内存。

主要由地址译码器、存储矩阵、读/写控制电路等部分组成，为大规模时序逻辑电路。

主要由与阵列、或阵列、输出缓冲级等部分组成，为大规模组合逻辑电路。ROM是只读存储器，在正常工作时，其存储的数据只能读出，不能写入。但断电后其存储的数据不会丢失。常用于存放一些不变的数据，如一些重要的常数、系统管理程序等。只读存储器(ROM，

即Read-OnlyMemory)第9章半导体存储器9.2

只读存储器（ROM）9.2.1固定ROM的结构和工作原理9.2.2可编程只读存储器（PROM）9.2.3可擦除可编程只读存储器9.2.4PROM的应用9.2.1固定ROM的基本结构和工作原理ROM的基本结构由地址译码器和存储矩阵等部分组成存储器的存储容量为4

4字位。ROM的电路结构图

字线位线一、电路组成

9.2.1固定ROM的结构和工作原理D0D1D2D34×4二极管ROM结构图

&A1A0字线信号位线输出信号&&&11W3W2W1W0

地址译码器。

A1、

A0为地址输入端，W3~W0为译码器输出的4条字线。

存储矩阵由二极管或门组成，D3~D0为存储矩阵输出的4条位线。一、

电路组成

D0D1D2D34×4二极管ROM结构图

&A1A0字线信号位线输出信号&&&11W3W2W1W0W3

~W0

中任一个输出高电平时，则在D3

~D0

4条线上输出一组4位二进制代码，每组代码表示一个字。二、

读数

D0D1D2D34×4二极管ROM结构图

&A1A0字线信号位线输出信号&&&11W3W2W1W0

当输入一组地址码时，则在ROM的输出端可读出该地址码对应的存储内容。如A1

A0

=00

时，则字线

W0

=A1

A0

=1，其他字线都为0，这时和W0相连的两个二极管导通，位线D2

=1、

D0=1,而D3

和D1

都为0

,在输出端得到D3D2D1D0=0101数据输出。

可见：(1)交叉处接有二极管的相当于存储1，没有接二极管的相当于存储0。

(2)当某字线被选中时，相应存储单元数据从位线D3

~D0

输出。4×

4存储矩阵示意图

W3W2W1W0D0D1D2D3字线位线交叉处的圆点“”表示存储1，交叉处无圆点表示存储0。交叉点的数目，即存储器中存储单元的数量，称为存储容量。存储矩阵可简化表示为存储容量

字数×

位数用“M”表示“1024K”，1M=1024K=210K=220。对于大容量的ROM

常用“K”表示“1024”，即1K=1024=210

；例如，一个64K

8的ROM，表示它有64K个字，

字长为8位，存储容量是64K

8=512K。

例如，一个32

8的ROM，表示它有32个字，

字长为8位，存储容量是32

8=256。

TTL-ROM结构图

MOS-ROM结构图

PROM出厂时，全部熔丝都连通，全部存储单元相当于存储1。用户在编程时，可根据要求，借助编程工具将需要存储0单元的熔丝烧断即可。

熔丝烧断后不可恢复，故PROM只能进行一次性编程。

二极管ROM

TTL-ROM

MOS-ROM

Wi

Dj

Wi

Dj

VCC

Wi

Dj

+VDD

1熔丝熔丝熔丝9.2.2可编程只读存储器(PROM)用一个特殊的浮栅MOS管替代熔丝。

用紫外线擦除信息的，称为EPROM。

用电信号擦除信息的，称为EEPROM，即E2PROM。

按擦除方式不同分

EPROM只能整体擦除，擦除时间较长。E2PROM中的存储单元可逐个擦除逐个改写，它的编程和擦除都用电信号完成，速度比EPROM快得多。9.2.3可擦除可编程只读存储器(EPROM)EPROM集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内存储的信息。9.2.3可擦除可编程的只读存储器用户在编程时，可以根据需要将某单元改写为0。方法是借助于编程器输出足够大的脉冲电流将所要改写为0的存储单元中的熔丝烧断。显然，熔丝烧断后不可恢复，因此，PROM只能进行一次编程。使用不方便，也不经济。

PROM在使用时只能读出,不能写入。

可编程只读存储器是一种用户可以根据自己的要求直接写入信息的存储器。写入信息的过程称为编程。PROM在出厂前已在每个存储单元中都接有快速熔丝，这时所有的存储单元都相当于存储了1。

一、紫外线擦除可编程只读存储器(EPROM)

FAMOS管的栅极为多晶硅，没有引出线，完全浮置于SiO2绝缘层中。平时不带电，也不导通，相当于熔丝断开。编程时，在编程器的编程信号作用下，可使FAMOS管的浮置栅获得足够的电荷而使漏极和源极之间产生导电沟道，成为导通状态，与其串接的MOS管也导通，相当于熔丝连接。

为了使EPROM写入的信息不丢失，需用不透明的遮光纸将集成芯片上的石英窗口封贴起来。当需要擦除原信息时，需要去掉遮光纸，用紫外线照射石英窗口10~15分钟，才能擦除芯片中全部信息。

EPROM的存储单元中采用了浮置栅MOS管，简称FAMOS管，用以代替PROM中的熔丝。它和普通MOS管串接后组成了EPROM中的存储单元。

二、电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)

E2PROM存储单元中的信息可边擦除边改写，也可整体擦除，速度比EPROM快得多，写入信息可长期保存。

E2PROM的存储结构和EPROM类似，只是在浮置栅上加了一个隧道二极管，在编程信号作用下，可使存储单元导通或截止，从而实现了电写入和电擦除。三、快闪存储器(FlashMemory)同时快闪存储器的编程和擦除控制电路都集成在存储器内部，不需要专门的编程工具，使用十分方便。可以预见，在不久的将来，快闪存储器有可能取代计算机中的硬盘和用于开发许多新的电子产品。

快闪存储器是E2PROM新一代产品，它具有E2PROM擦除快的优点，而且电路结构简单、集成度高、体积小、功耗低、工作速度快、存储容量大。优点十分明显。

由于PROM的地址译码器能译出地址码全部最小项，而PROM的存储矩阵构成了可编程或门阵列，因此，通过编程可从PROM的位线输出端得到任意标准与-

或式。由于所有组合逻辑函数均可用标准与-

或式表示，故可用PROM实现任意组合逻辑函数。9.2.4

PROM的应用

PROM结构的习惯画法AB与门和或门的习惯画法CY&ABCY≥1ABCY&ABCY≥1用

PROM

实现组合逻辑函数[例]

试用PROM实现下列逻辑函数解：(1)

将函数化为标准与-

或式(2)

确定存储单元内容由函数Y1、Y2

的标准与-

或式可知：与Y1

相应的存储单元中，字线W1、W4、W5、W6

对应的存储单元应为1；对应m1、m4、m5、m6与Y2

相应的存储单元中，字线W3、W5、W6、W7

对应的存储单元应为1。(3)

画出用PROM实现的逻辑图A1≥1B1C1&&&&&&&&≥1m0m1m2m3m4m5m6m7地址译码器Y1Y2第9章半导体存储器9.3

随机存储读取器(RAM)9.3.1RAM的基本结构和工作原理9.3.2RAM的存储单元9.3.3RAM的扩展一、RAM的基本结构9.3.1RAM的基本结构和读写过程RAM的电路结构

1.存储矩阵：由大量以矩阵形式排列的存储单元组成。图中存储器的容量是：字数×位数=32×16=512字位一、RAM的基本结构RAM的电路结构

2.地址译码器：为了能方便地选择到存储器中的任一个存储单元，将地址译码器分为行、列地址译码器，然后根据行、列地址去选通相应的存储单元进行读出或写入数据。一、RAM的基本结构RAM的电路结构

3.I/O和读/写控制电路：为了满足存储容量扩展要求，每片RAM都设有片选CS端和读/写(R/W)控制端，用于对选通的存储单元写入或读出数据。二、RAM的读/写过程当片选端CS=1时，G1和G2输出低电平，所有I/O端均为高阻态，使存储器和I/O线隔离，不能进行读写操作；当CS=0时，RAM工作，可对选通的存储单元进行读出或写入操作。

当R/W=1时，进行读出操作，再通过I/O端输出数据；当R/W=0时，则进行写入操作，将I/O端输入的数据写入到存储单元中。9.3.2RAM的存储单元

一、

静态存储单元

静态存储单元由CMOS触发器和门控管组成，它的工作状态受行、列译码输出的行选择线和列选择线控制。当静态存储单元被选通时，其中的门控管导通，这时可通过读/写控制电路对选通的静态存储单元进行读/写操作。对于没有被选通的静态存储单元，由于门控管截止，静态存储单元被封锁，不能进行读/写操作。静态随机存取存储器(SRAM)的优点是：在不断电情况下，可长期保存二进制信息，读/写控制电路简单，存取速度快。缺点是：存储容量小，静态功耗大，适用于小容量存储器。9.3.2RAM的存储单元

二、动态存储单元

动态存储单元是利用MOS管栅极电容的存储效应组成的，由于栅极电容的容量很小，且存在漏电，因此栅极电容上存储的信息不可能长期保存。为防止信息丢失，必须定时给栅极电容补充电荷，这种补充电荷的过程称为刷新。动态存储单元的工作受行选择线和列选择线控制。当动态存储单元被选通时，门控管导通，这时可对动态存储单元进行写操作和读操作，并对该存储单元进行一次刷新。对于没有被选通的动态存储单元，由于门控管截止，不能进行读/写操作。动态随机存取存储器(DRAM)的优点是：存储单元电路简单，集成度高，功耗低，在大容量存储器中采用较多。缺点是：外围电路较复杂。9.3.3RAM的扩展

一、RAM的位扩展如一片RAM的字数已够用，而每个字的位数不够用，则采用位扩展的方法来扩展每个字的位数。其方法是将各片

RAM的地址输入端、读/写控制端R/W和片选端CS对应地并接在一起。下图为用两片1k×4位的RAM进行位扩展，扩展后的容量为1k×8位。RAM的位扩展接法

RAM的字扩展接法

二、RAM的字扩展

如一片RAM的位数已够用，而字数不够用，则采用字扩展的方法来扩展存储器的字数。字扩展通常需用外加译码器来控制芯片的片选输入信号CS实现。如字数和位数都不够用，则可将字数和位数同时进行扩展，便组成了大容量的存储器。半导体存储器的核心是存储矩阵，它由许多存储单元构成，每个存储单元存储一位二进制数。根据功能不同，半导体存储器分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)两大类。本章小结只读存储器(ROM)主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲级组成，没有触发器，为大规模集成组合逻辑电路。ROM用于存放固定不变的数据，不能随意改写。工作时，只能根据地址读出数据。工作可靠，断电后其数据不会丢失。只读存储器有固定ROM(又称掩模ROM)和可编程ROM之分。固定ROM由制造商向芯片写入数据，而可编程ROM则由用户向芯片写入数据。可编程ROM又分为一次可编程的PROM和可重复改写、重复编程的EPROM和E2PROM。EPROM为电写入紫外擦除型，E2PROM为电写入电擦除型，后者比前者快捷方便。可编程ROM都要用专用的编程器对芯片进行编程。只读存储器(ROM)主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲级组成，没有触发器，为大规模集成组合逻辑电路。ROM