数字电路08第七章半导体存储器

1、,第七章 半导体存储器,7.1 概述,半导体存储器是固态存储器SSD (Solid State Drives) ，具有存储密度高，体积小，容量大，读写速度快，功耗低等优点!,分类：,掩模ROM,可编程ROM (PROM-Programmable ROM),可擦除可编程ROM (EPROM-Erasable PROM),随机存储器RAM (Random Access Memory),静态存储器SRAM (Static RAM) 主要用于高速缓存和服务器内存,动态存储器DRAM (Dynamic RAM),按功能特点,EEPROM (Electrically EPROM)/E2PROM,只读存储器

2、ROM (Read- Only Memory),Flash Memory (快闪存储器，如U盘),FRAM (Ferro-electric RAM 铁电存储器),SDRAM, DDR-RAM等,非挥发存储器（Non-Volatile Memory-NVM）,挥发存储器（Volatile Memory-VM）或者称易失存储器,1. ROM的构成,主要指标：存储容量、存取速度。,存储容量：用字数位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为109位/片。,7.2.1 掩模只读存储器,7.2 只读存储器ROM,存储单位:字,2. 工作原理,ROM是组合逻辑电路,d3=W1+W3=A1A0+A1

3、A0,3. 看待ROM（存储器）的三个不同的角度 组合逻辑 查找表 (Look-up table) 译码编码的过程,真值表 输入变量 输出变量,D0 Dm,4. 数据与存储矩阵对应关系,存储器的容量: 字数 x 位数,存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元”，存储单元中有器件存入“1”，无器件存入“0”,编程时VCC和字线电压提高,写入时，要使用编程器,7.2.2 可编程只读存储器PROM,7.2.3 可擦除可编程只读存储器 一、EPROM(UVEPROM-Ultra Violet) SIMOS: Stacked-gate Injection MOS; 叠栅注入MOS,浮置栅极为氮化物是可 以存

4、储电荷的电荷势阱,行列地址译码器,导通状态:浮栅上没有电荷时, 加控制栅电压VT (5V)时,导通,存”0”,截止状态:浮栅上带有负电荷时,使得MOS管的开启电压变高, 加控制栅电压VT时,截止,存”1”,浮栅MOS管 电流传输特性,2. 存储原理,VT1VTVT2,(1) 擦除 用紫外线或X射线，距管子2厘米处照射1520分钟； 阳光下1周，荧光灯下3年。,3. 编程原理：先擦除，再写入(编程),(2) 写入 1.源漏极加高压(+20V+25V), 发生雪崩击穿 2.在控制栅极Gc上加高压(+25V,50ms) 吸引高速电子穿过SiO2到达浮栅， 这个过程称为Hot carrier inje

5、ction 书上称为雪崩注入,见备注,二、EEPROM/E2PROM 浮栅隧道氧化层MOS FlotoxMOS: Floating gate Tunnel Oxide MOS,存储原理： Gf存电荷前,正常控制栅极电压3V下,T1导通, 存0 Gf存电荷后,正常控制栅极电压3V下,T1截止, 存1,T2为了提高擦、写的可靠性 T1为实现数据存储的存储管,EEPROM的编程过程：先擦除，再编程！ (1)擦除就是给浮栅的充电 ，相当于写“1” (2)写入就是将需要写“0”的单元的栅极放电,写1 (擦除/充电): Wi和Gc加20V、10ms的正脉冲 Bj接0，电子通过隧道区从漏极进入浮置栅极Gf,

6、写0(写入/放电):Gc接0，Wi和Bj加20V 10ms的正脉冲, 电子通过隧道区从浮置栅极Gf向漏极释放,区别于EPROM的hot-electron injection 这种称为 tunnel injection 书上称为隧道效应或称隧道注入,有兴趣可以参考,三、快闪存储器Flash Memory 按结构又分为NOR Flash和NAND Flash。基本单元为SIMOS-叠栅注入MOS，特点是浮栅Gf与衬底间SiO2更薄1015nm(相比EPROM的3040nm,E2PROM的20nm)，Gf与源极S有极小的重叠区，即隧道区。下面主要指的是NOR Flash。,存储单元相对于EEPROM

7、，只需要一个MOS管，结构简单，集成度高，成本低。因为MOS管的源极是连在一起的，所以擦除时按固定大小的存储容量(典型为128-512kbits) 整体擦除，所以叫Flash Memory，用来形容擦除速度快。,擦除（写0）类似E2PROM，基于隧道效应,写入（写1）类似EPROM，为雪崩注入,和E2PROM相比，需要电压明显减小，这源于更薄的SiO2绝缘层。Flash ROM具有在系统可编程(ISP, In-System Programmability)的能力。在许多场合，Flash ROM也被直接称为E2PROM.,NOR Flash的擦除和写入（编程）,NAND Flash的擦除和编程都

8、基于隧道效应,NAND Flash的擦除和写入（编程）,NOR Flash同一位线上的单元是并联的关系，逻辑上为或非逻辑 NOR指的就是或非逻辑的意思,NAND Flash同一位线上的单元是串联的关系，逻辑上为与非逻辑 NAND指的就是与非逻辑的意思,NOR Flash结构,NAND Flash结构,NOR Flash和NAND Flash的比较:,1. 擦除和写入方式相同：按块擦除和写入； 2. 存储单元的连接方式不同，或非和与非； 3. 读出方式不同: NOR是线性编址，可以按字节随机访问；而NAND是分了块页字节三个地址寻址，只能按块读取。显然NOR接口简单, 存取单位为字节, 可以随机

9、访问;而且具有XIP的功能（eXecute In Place，本地执行），常用来存放程序代码； 4. NOR寿命短（10万次），NAND（100万次）；因为XOR的擦除基于隧道注入，而写入基于雪崩注入，它们是不对称操作，加速了存储单元老化的速度。 5. NOR写入和擦除速度慢, 存储密度低, 成本高；NAND相反, 所以现在的U盘等便携存储用的是NAND Flash。,虽然，ROM可读也可写，但写入速度慢，另外写入或擦除操作是有损操作，SIO2绝缘层很薄，随着写操作次数增加，也在不断损耗，一旦绝缘层彻底击穿，将不能再编程。所以可写ROM的编程次数都是有限的，典型次数为100万次(NAND Fl

10、ash)。,U盘往往内部包括了微处理器（右侧芯片）和Flash memory（主要是NAND Flash），之所以可以在比较低的单电源条件下工作，因为芯片内部往往有电荷泵（charge pump ）用于提升电压，以满足在擦除和写入时对高电压的要求。,MLC (Multi-Level Cell ) vs SLC (Single-Level Cell ),A Single-Level Cell, SLC, memory card stores one bit in each cell, leading to faster transfer speeds, lower power consumpti

11、on and higher cell endurance. The only disadvantage of Single-Level Cell is the manufacturing cost per MB. Based on that, the SLC flash technology is used in high-performance memory cards. A Multi-level Cell, MLC, memory card stores two or more bits in each cell. By storing more bits per cell, a Mul

12、ti-Level Cell memory card will achieve slower transfer speeds, higher power consumption and lower cell endurance than a Single-Level Cell memory card. The advantage of Multi-Level Cell memory card is the lower manufacturing costs. The MLC flash technology is used mostly in standard memory cards. The

13、 Multi-Bit Cell, MBC, is a similar technology to the Multi-Level Cell but stores only two bits per cell.,见备注,Kingston 1G SD card,左侧为三星K9G808U0M MLC Flash ROM 2bits/cell 右侧为SD控制芯片,四、FeRAM/FRAM (Ferro-electric RAM),Ramtron公司在1992年下半年开始生产供销售的铁电存储器。 器件: FM18L08 256kB Bytewide FRAM Memory (一) 相对于EEPROM和F

14、lash优势之处 1. 铁电存储器的读写速度更快。与其它存储器相比，铁电存储器的写入速度要快10万倍以上。读的速度同样也很快，和写操作速度上几乎没有太大区别。 2. FRAM存储器可以无限次擦写，而EEPROM只能进行100万次擦写。 3. 铁电存储器所需功耗远远低于其他非易失性存储器。,(二) FRAM原理 FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时, 晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此F

15、RAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振(电)极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件(诸如磁场因素)的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。,FRAM晶体结构,(三) FRAM存储单元结构类似DRAM,FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。,前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”(2T2C)，每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图(a)所示。

16、2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”(1T1C)存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构(未画出公共参考位)如图(b)所示。,(a),(b),位线(数据位) 位线(参考位),位线(数据位),字线,字线,(四) FRAM的读/写操作 FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场 (即对电容充电)，如果原来晶体中心原

17、子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰。把这个充电波形同参考位(确定且已知)的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。 无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变(这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同)。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充电”(pre-charge)过程来

18、对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns,加上“预充”时间60ns,一个完整的读操作时间约为130ns。 写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。,7.3 随机存储器（RAM）,7.3.1 静态随机存储器SRAM （一）RAM的结构,分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种。,(2) 片选信号CS: 控制I/O端是否处在高阻状态。,(1) 读

19、写控制信号R/W: 控制电路处于读出,还是写入状态。,1. 六管NMOS静态存储单元,（二）静态RAM的存储单元,Cell sizes (m/bit or mm/Mbit),7.3* DRAM:四管动态MOS存储单元,T1 T2交叉连接作存储器用，数据以电荷的形式存储在T1 T2的寄生电容C1和C2上，而C1和C2上的电压又控制着T1 T2的导通或截止，产生位线B和B上的高、低电平。 C1被充电，且使C1上的电压大于开启电压，同时C2没被充电， T1导通、T2截止。VC1=Q=1，VC2=Q=0，存储单元存0状态。,动态存储单元是利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理,动态存储单元的电路结构还

20、可以更简单，进一步提高存储密度，降低成本,单管电路,DRAM芯片组 成的内存模块,7.4 存储器容量的扩展,7.4.1 位扩展方式,方法：所有输入信号都并联(地址信号、片选信号和读写信号); 输出各自独立。,需要片数N=8,例：用1024字1位RAM芯片构成1024字8位RAM存储器,例：用256字8位RAM芯片组成1024字8位存储器。,需要片数N=4,7.4.2 字扩展方式,各片地址分配情况：,当要求字和位同时扩展时，先字扩展或先为扩展都可以，最终结果都是一样的。,7.5 用存储器实现逻辑函数,1. ROM的地址输出为二进制译码，既输出为地址变量的最小项 2. 存储矩阵根据其存储内容，实现

21、数据输出为各最小项的或运算,例7.5.1用ROM实现由8421-BCD码到八段显示器的译码器。,ROM的简化表示方法。,都转换为4变量函数,题7-3 某台计算机内存设置为32位地址线，16位并行数据输入/输出，问其最大存储量是多少？,最大存储容量23216b（bit，比特）236b 233B（Byte字节）223kB213MB23GB8GB,寻址能力或寻址空间是系统性能参数之一,第7章 习 题,题7-4 试用4片4k8位的RAM芯片组成16k8位的RAM存储器。,题7-5 试用4片2114(10244的RAM芯片)和3-8译码器74LS138实现40964位的RAM存储器。,注意74138的使用！,LGS (GM) SDRAM GM72V661641CT7J - GM7 = LGS: Lucky Gold Star GM72V661641CT7J - 1 = FPM or EDO: 2 = SDRAM GM72V661641CT7J- C = 5 volt V = 3.3 volt GM72V661641CT7J-1 = 16