07-第7章 半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件(117)

1、7.1 概述概述 1. 大規(guī)模集成電路分類大規(guī)模集成電路分類 （1）半導(dǎo)體存儲器）半導(dǎo)體存儲器 半導(dǎo)體存儲器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)特別是計算機中的重要組成半導(dǎo)體存儲器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)特別是計算機中的重要組成 部分之一。部分之一。 它用于存放二進制信息，主要以半導(dǎo)體器件為基本它用于存放二進制信息，主要以半導(dǎo)體器件為基本 存儲單元，用集成工藝制成。存儲單元，用集成工藝制成。 每一片存儲芯片包含大量的存儲單元，每一個存儲單元由每一片存儲芯片包含大量的存儲單元，每一個存儲單元由 唯一的地址代碼加以區(qū)分，并能存儲一位或多位二進制信息。唯一的地址代碼加以區(qū)分，并能存儲一位或多位二進制信息。 第第7 7章章 半導(dǎo)體存

2、儲器和可編程邏輯器件半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件 （Programmable Logic Device，PLD） 可編程邏輯器件可編程邏輯器件是是20世紀(jì)世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來的年代后期發(fā)展起來的 一種功能特殊的大規(guī)模集成電路，它是一種可以由用一種功能特殊的大規(guī)模集成電路，它是一種可以由用 戶定義和設(shè)置邏輯功能的器件。戶定義和設(shè)置邏輯功能的器件。 特點：特點：結(jié)構(gòu)靈活、集成度高、處理速度快、可靠性高結(jié)構(gòu)靈活、集成度高、處理速度快、可靠性高 （2）可編程邏輯器件）可編程邏輯器件 微處理器微處理器主要指通用的微處理機芯片，如：主要指通用的微處理機芯片，如：Z80, 8080,8086,80386

3、,80486,M6800,M68000等。它的功能等。它的功能 由匯編語言編寫的程序來確定由匯編語言編寫的程序來確定, 具有一定的靈活性。具有一定的靈活性。 但該器件很難與其他類型的器件直接配合但該器件很難與其他類型的器件直接配合, 應(yīng)用時需應(yīng)用時需 要用戶設(shè)計專門的接口電路。要用戶設(shè)計專門的接口電路。 微處理器是構(gòu)成計算機的主要部件。目前除用微處理器是構(gòu)成計算機的主要部件。目前除用 作作CPU外，多用于實時處理系統(tǒng)。外，多用于實時處理系統(tǒng)。 （3）微處理器）微處理器 固定連接固定連接可編程連接可編程連接 不連接不連接 （1）PLD 器件的連接表示法器件的連接表示法 2.可編程邏輯器件可編程邏

4、輯器件PLD的連接表示方法的連接表示方法 1 A A 1 A A A A 輸入緩沖器輸入緩沖器 A B C 當(dāng)需存當(dāng)需存1時時, 保留熔絲。保留熔絲。 PROM的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 （1）一次性可編程）一次性可編程 ROM（PROM） 熔斷過程：熔斷過程：出廠時全部為出廠時全部為1。用編程器譯中要寫為。用編程器譯中要寫為0 的地址單元，字線為高電平，位線加高壓編程脈沖，的地址單元，字線為高電平，位線加高壓編程脈沖， 使大電流流過二極管將熔絲熔斷。使大電流流過二極管將熔絲熔斷。 熔絲熔絲 EPROM 是一種可以多次擦除和改寫內(nèi)容的是一種可以多次擦除和改寫內(nèi)容的 ROM。 它與它與PROM 的總體結(jié)構(gòu)

5、相似，只是采用了不同的存的總體結(jié)構(gòu)相似，只是采用了不同的存 儲單元。儲單元。 1）浮柵注入）浮柵注入 MOS 管（管（FAMOS 管）管） 存儲單元采用兩只存儲單元采用兩只 MOS管管 缺點：缺點：集成度低、擊穿電壓高、速度較慢集成度低、擊穿電壓高、速度較慢 （2）光可擦除可編程）光可擦除可編程ROM （EPROM） 浮柵注入浮柵注入 MOS 管（管（FAMOS 管）管） （*） 該電路與普通該電路與普通P溝道增強型溝道增強型MOS管相似，如將源極和襯底管相似，如將源極和襯底 接地，在襯底和漏極之間加一接地，在襯底和漏極之間加一24V反向電壓，可導(dǎo)致雪崩擊穿，反向電壓，可導(dǎo)致雪崩擊穿， 使電子

6、注入浮柵。并感應(yīng)出一個連接源、漏極的反型層。使電子注入浮柵。并感應(yīng)出一個連接源、漏極的反型層。 當(dāng)行線為當(dāng)行線為1時時,電子注入浮柵的讀出電子注入浮柵的讀出0, 未注入的讀出未注入的讀出1。 層疊柵存儲單元層疊柵存儲單元 2）疊層?xùn)抛⑷耄┋B層?xùn)抛⑷?MOS 管（管（SIMOS 管）管） 柵極柵極G接字線接字線 源極源極S接地接地 漏極漏極D接位線接位線 浮柵浮柵 控制柵控制柵 與字線與字線 相連，控制信息相連，控制信息 的讀出和寫入的讀出和寫入 浮柵浮柵 埋在二氧化硅絕緣層，埋在二氧化硅絕緣層， 處于電處于電“懸浮懸浮”狀態(tài)，狀態(tài)， 不與外部導(dǎo)通，注入電不與外部導(dǎo)通，注入電 荷后可長期保存荷后

7、可長期保存 疊層?xùn)暖B層?xùn)臡OS管剖面示意圖管剖面示意圖 1 信息信息： 出廠時所有存儲單元的出廠時所有存儲單元的浮柵均無電荷浮柵均無電荷，可認(rèn)為全部存儲，可認(rèn)為全部存儲 了了1 信息。信息。 0 信息信息： 在在 SIMOS 管的漏極和源極（地）之間加上較高的電壓管的漏極和源極（地）之間加上較高的電壓 （約（約 25V）,形成雪崩擊穿現(xiàn)象形成雪崩擊穿現(xiàn)象, 產(chǎn)生大量高能電子。產(chǎn)生大量高能電子。 同時在控制柵極上加高壓正脈沖（同時在控制柵極上加高壓正脈沖（50ms，25V）,則在控則在控 制柵正脈沖電壓的吸引下，部分高能電子將穿過二氧化硅層到制柵正脈沖電壓的吸引下，部分高能電子將穿過二氧化硅層到

8、 達(dá)浮柵，被浮柵俘獲，浮柵注入電荷，達(dá)浮柵，被浮柵俘獲，浮柵注入電荷，注入電荷的浮柵注入電荷的浮柵可認(rèn)為可認(rèn)為 寫入寫入“ 0”。 信息寫入信息寫入 柵極加?xùn)艠O加+5V電壓，該電壓，該SIMOS管不導(dǎo)通，只能讀出管不導(dǎo)通，只能讀出 所存儲的內(nèi)容，不能寫入信息。所存儲的內(nèi)容，不能寫入信息。 讀出時電路讀出時電路 正常工作正常工作 +VD CS 列選線列選線 行選線行選線 G1 G2S D T2 T1 D0 讀出讀出0： 若浮柵若浮柵G1上有注入電子上有注入電子, G2柵高柵高 電平電平,疊柵疊柵MOS管仍截止管仍截止,相當(dāng)于相當(dāng)于 存儲存儲“0”。 讀出讀出1： 若浮柵若浮柵G1沒有注入電子沒有

9、注入電子, G2柵高柵高 電平電平,疊柵疊柵MOS管導(dǎo)通管導(dǎo)通,相當(dāng)于存相當(dāng)于存 儲儲“1”。 信息擦除信息擦除 紫外線照射紫外線照射SIMOS管時管時, ,浮柵上的電子形成光電流而泄浮柵上的電子形成光電流而泄 放放, ,又恢復(fù)到編程前的狀態(tài)又恢復(fù)到編程前的狀態(tài), ,即將其存儲內(nèi)容擦除。即將其存儲內(nèi)容擦除。 實際中，實際中，EPROM芯片的編程和擦除操作是使用專門的芯片的編程和擦除操作是使用專門的 編程器和擦除器完成的。編程器和擦除器完成的。 常用的常用的EPROM集成芯片集成芯片 2716(2K8)、2732(4K8)、2764(8K8)、27128(16K8)、 27256(32K8) 、

10、 27512(64K8) 擦除石英窗擦除石英窗 EPROM芯片芯片 EPROM編程器編程器 特點：特點： 編程和擦除均由電完成；編程和擦除均由電完成； 既可整片擦除，也可使某些存儲單元單獨擦除；既可整片擦除，也可使某些存儲單元單獨擦除； 重復(fù)編程次數(shù)大大高于重復(fù)編程次數(shù)大大高于EPROM. （3）電可擦除可編程）電可擦除可編程ROM （E2PROM） T2是門控管是門控管 T1是浮柵隧道氧化層是浮柵隧道氧化層 MOS管（簡稱管（簡稱Flotox管）管） E2PROM存儲單元存儲單元 浮柵浮柵 Flotox管剖面示意圖管剖面示意圖 1 狀態(tài)：狀態(tài)： 令令Wi=1、Yj=0，則，則T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，

11、T1漏極漏極D1接近接近0電平，電平， 然后在擦寫柵然后在擦寫柵G1加上加上21V正脈沖，就可以在浮柵與漏正脈沖，就可以在浮柵與漏 極區(qū)之間的極薄絕緣層內(nèi)出現(xiàn)隧道，通過隧道效應(yīng)，極區(qū)之間的極薄絕緣層內(nèi)出現(xiàn)隧道，通過隧道效應(yīng)， 使電子注入浮柵。使電子注入浮柵。 0 狀態(tài)：狀態(tài)： 擦寫柵接擦寫柵接0電平、電平、Wi=1、Yj加上加上21V正脈沖正脈沖,使使T1漏漏 極獲得大約極獲得大約+20V的高電壓的高電壓,則浮柵上的電子通過隧道則浮柵上的電子通過隧道 返回襯底，則浮柵上就沒有注入電子返回襯底，則浮柵上就沒有注入電子,定義為定義為0狀態(tài)。狀態(tài)。 根據(jù)根據(jù)浮柵上是否注入電子浮柵上是否注入電子來定義

12、來定義0和和1狀態(tài)狀態(tài) 浮柵注入電子是利用浮柵注入電子是利用隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)進行的進行的。 信息寫入信息寫入 讀出讀出1： 擦寫柵加擦寫柵加+3V電壓，字線加電壓，字線加+5V正常電平，這時正常電平，這時 T2管導(dǎo)通，若浮柵上有注入電子，則管導(dǎo)通，若浮柵上有注入電子，則T1不能導(dǎo)通，在不能導(dǎo)通，在 位線上可讀出位線上可讀出1. 讀出讀出0: 若浮柵上沒有注入電子，則若浮柵上沒有注入電子，則T1導(dǎo)通，在位線上可導(dǎo)通，在位線上可 讀出讀出0。 信息讀出信息讀出 擦寫柵和待擦除單元的字線上加擦寫柵和待擦除單元的字線上加21V的正脈沖，的正脈沖， 漏極接低電平，即可使存儲單元回到寫入漏極接低電平，即可

13、使存儲單元回到寫入0前的狀前的狀 態(tài)，完成擦除操作。態(tài)，完成擦除操作。 早期早期E2PROM芯片都需用高電壓脈沖進行編程芯片都需用高電壓脈沖進行編程 和擦寫，由專用編程器來完成。和擦寫，由專用編程器來完成。 但目前絕大多數(shù)但目前絕大多數(shù)E2PROM集成芯片都在內(nèi)部設(shè)集成芯片都在內(nèi)部設(shè) 置了升壓電路，使擦、寫、讀都可在置了升壓電路，使擦、寫、讀都可在+5V電源下進電源下進 行，不需要編程器。行，不需要編程器。 信息擦除信息擦除 快閃只讀存儲器快閃只讀存儲器是在吸收是在吸收 E2PROM 擦寫方便擦寫方便和和 EPROM結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠的基礎(chǔ)上研制出來的一的基礎(chǔ)上研制出來的一

14、種新型器件，它是采用一種類似于種新型器件，它是采用一種類似于EPROM的單管疊的單管疊 柵結(jié)構(gòu)的存儲單元制成的新一代用柵結(jié)構(gòu)的存儲單元制成的新一代用電信號擦除電信號擦除的可的可 編程編程ROM。 （4）快閃只讀存儲器（）快閃只讀存儲器（Flash Memory） 與單管疊柵結(jié)構(gòu)與單管疊柵結(jié)構(gòu)EPROM的區(qū)別在于浮柵與襯底的區(qū)別在于浮柵與襯底 之間的氧化層厚度（之間的氧化層厚度（FLASH：1015nm，EPROM: 3040nm）。）。 快閃存儲器存儲單元快閃存儲器存儲單元 疊柵疊柵MOS管剖面示意圖管剖面示意圖 1 狀態(tài)：狀態(tài)： 浮柵未注入電子，相當(dāng)于存儲浮柵未注入電子，相當(dāng)于存儲1。 0

15、狀態(tài)：狀態(tài)： 利用雪崩注入的方法使浮柵充電，相當(dāng)于存儲利用雪崩注入的方法使浮柵充電，相當(dāng)于存儲0； 與與EPROM相同相同 信息寫入信息寫入 若浮柵上有注入電子，疊柵若浮柵上有注入電子，疊柵MOS管截止，位線輸管截止，位線輸 出高電平。出高電平。 令令Wi=1，Vss=0，若浮柵上沒有注入電子，則疊，若浮柵上沒有注入電子，則疊 柵柵MOS管導(dǎo)通，位線輸出低電平。管導(dǎo)通，位線輸出低電平。 信息讀出信息讀出 快閃只讀存儲器的擦除方法與快閃只讀存儲器的擦除方法與E2PROM類似，類似， 是利用隧道效應(yīng)來完成的。在擦除狀態(tài)下，控制柵是利用隧道效應(yīng)來完成的。在擦除狀態(tài)下，控制柵 G處于處于0電平，源極加

16、入高壓脈沖（電平，源極加入高壓脈沖（12V），在浮柵），在浮柵 與源區(qū)間很小的重疊區(qū)域產(chǎn)生隧道效應(yīng)，使浮柵上與源區(qū)間很小的重疊區(qū)域產(chǎn)生隧道效應(yīng)，使浮柵上 的電荷經(jīng)隧道釋放。的電荷經(jīng)隧道釋放。 由于有的由于有的FLASH是是全部全部或或分段分段將源極接在一起將源極接在一起 的，所以這種的，所以這種FLASH只能只能全部全部或或按段按段擦除。擦除。 信息擦除信息擦除 1) 實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)實現(xiàn)組合邏輯函數(shù) 用用PROM實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)，其地址譯碼器實實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)，其地址譯碼器實 際上是與陣列，把其作為輸入變量；存儲陣列是或際上是與陣列，把其作為輸入變量；存儲陣列是或 陣列，利用陣列，利用PRO

17、M中的最小項，通過或陣列編程，中的最小項，通過或陣列編程， 可得到邏輯函數(shù)的輸出?？傻玫竭壿嫼瘮?shù)的輸出。 3. PROM的應(yīng)用的應(yīng)用 ROM,PROM,EPROM及及E2PROM除編程和擦除編程和擦 除方法不同外，應(yīng)用時無根本區(qū)別。除做存儲器之除方法不同外，應(yīng)用時無根本區(qū)別。除做存儲器之 外，還可用來實現(xiàn)外，還可用來實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)組合邏輯函數(shù)和和數(shù)學(xué)函數(shù)表。數(shù)學(xué)函數(shù)表。 例例1：用用PROM實現(xiàn)下列邏輯函數(shù)實現(xiàn)下列邏輯函數(shù) F1(A,B,C)=AB+BC F2(A,B,C)=(A+B+C)(A+B) F3(A,B,C)=A+BC F1(A,B,C)=ABC+ABC+ABC+ABC=m(1,5

18、,6,7) F2(A,B,C)=(A+B+C) (A+B+C) (A+B+C) =M(2,4,5)=m(0,1,3,6,7) F3(A,B,C)=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC =m(3,4,5,6,7) 推得：推得： 真值表真值表 A B C F3 F2 F1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 F1=m(1,5,6,7) F2=m(0,1,3,6,7) F3= m(3,4,5,6,7) 1 A 根據(jù)地址信號根據(jù)地址信號,通過通過

19、I/O輸出或輸入輸出或輸入 當(dāng)片選信號當(dāng)片選信號CS有效時有效時,由由R/W信號決定讀出或?qū)懭胄盘枦Q定讀出或?qū)懭?I/O為雙向三態(tài)結(jié)構(gòu)為雙向三態(tài)結(jié)構(gòu) 出出 入入 讀寫讀寫/控制電路控制電路 R/W=1, D被讀出被讀出 R/W=0, D被寫入被寫入 1 0 （1）SRAM基本存儲單元基本存儲單元 (以六管以六管NMOS靜態(tài)存儲單元為例靜態(tài)存儲單元為例) 2. RAM的存儲單元的存儲單元 六管六管NMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元 Xi Yj I/O I/O VCC QQT6 T4 T3T1 T2 T5 T7T8 位位 線線 Bj 位位 線線 Bj 存儲存儲 單元單元 11 I/O I/O QQ

20、讀出讀出操作時，操作時，行選線行選線Xi和和列列選線選線Yj同時為同時為1,則存儲信則存儲信 息由息由Q和和Q被讀到被讀到I/O和和I/O上。上。 寫入寫入信息時信息時,行選線行選線Xi和和 列選線列選線Yj同時為同時為1,將存儲將存儲 信息加到信息加到I/O(反碼加到反碼加到I/O) 雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài) 等效電路等效電路 DRAM的基本存儲電路由動態(tài)的基本存儲電路由動態(tài)MOS基本存儲基本存儲 單元組成。動態(tài)單元組成。動態(tài)MOS基本存儲單元通常利用基本存儲單元通常利用MOS 管柵極電容或其它寄生電容的電荷存儲效應(yīng)來存儲管柵極電容或其它寄生電容的電荷存儲效應(yīng)來存儲 信息。信息。 （2）DRAM基本存儲單元基本存儲單元 位線位線 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 (D) 字選線字選線 T CS CD 輸出輸出 電容電容 寫信息：寫信息：字選線為字選線為1，T導(dǎo)通，導(dǎo)通， 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)D經(jīng)經(jīng)T送入送入CS . 讀信息：讀信息：字選線為字選線為1，T導(dǎo)通，導(dǎo)通， CS上的數(shù)據(jù)經(jīng)上的數(shù)據(jù)經(jīng)T送入位線的等送入位線的等 效電容效電容CD . 電路結(jié)構(gòu)（以單管動態(tài)存儲單元為例）電路結(jié)構(gòu)（以單管動態(tài)存儲單元為例） 1）當(dāng)不讀信息時，電荷在電容）當(dāng)不讀信息時，電荷在電容CS上的保存上的保存 時間約為數(shù)毫秒到數(shù)百毫秒；時間約為數(shù)毫秒到數(shù)百毫秒； 2）當(dāng)讀出信息時，由于要對）當(dāng)讀出信息時，