《半導(dǎo)體存儲器》 ppt課件

1、第第7章章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) Digital Electronics Technology海南大學(xué)海南大學(xué)課程組課程組教學(xué)教學(xué)/szjpkc討論空間：討論空間：975885101.qzone./: 975885101Digital Electronics Technology2021-11-247.1 概述概述1. 1. 存儲器存儲器定義：存儲大量二值信息或稱為二值數(shù)據(jù)的定義：存儲大量二值信息或稱為二值數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件。用途：在計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)用途：在計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù) 。與存放器的區(qū)別：以字為單位存取，每字包含假

2、與存放器的區(qū)別：以字為單位存取，每字包含假設(shè)干位。各個字的一樣位經(jīng)過同一引腳與外界聯(lián)設(shè)干位。各個字的一樣位經(jīng)過同一引腳與外界聯(lián)絡(luò)。每個字分配一個地址，因此內(nèi)部有地址譯碼絡(luò)。每個字分配一個地址，因此內(nèi)部有地址譯碼器。器。Digital Electronics Technology2021-11-247.1 概述概述隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAM Random Access Memory按按功功能能只讀存儲器只讀存儲器ROMRead- Only Memory只能讀出不能只能讀出不能寫入寫入,斷電不失斷電不失n 分類：分類：掩模掩模ROM可編程可編程ROMPROM(Programmable ROM)(E

3、rasable PROM)ROM可擦除可編程可擦除可編程ROMEPROMUVEPROMEEPROMFlash Memory電可擦除電可擦除(Electrically)紫外線擦除紫外線擦除(Ultra-Violet)快閃存儲器快閃存儲器Digital Electronics Technology2021-11-24靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器SRAM (Static RAM)動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器DRAM (Dynamic RAM)還可以按制造工藝分為雙極型和還可以按制造工藝分為雙極型和MOS型兩種。型兩種。 主要目的：存儲容量、存取速度。主要目的：存儲容量、存取速度。 存儲容量存儲容量: 用字?jǐn)?shù)位數(shù)表示

4、，也可只用位數(shù)表示。如，用字?jǐn)?shù)位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某動態(tài)存儲器的容量為某動態(tài)存儲器的容量為109位位/片。片。7.1 概述概述RAM 存取速度：用完成一次存取所需的時(shí)間表示。高速存儲存取速度：用完成一次存取所需的時(shí)間表示。高速存儲器的存取時(shí)間僅有器的存取時(shí)間僅有10ns左右。左右。Digital Electronics Technology2021-11-24一、掩模只讀存儲器一、掩模只讀存儲器 又稱為固定又稱為固定ROM。工廠按用戶要求消費(fèi)出來后，用戶不。工廠按用戶要求消費(fèi)出來后，用戶不能改動。能改動。1. ROM的構(gòu)成的構(gòu)成7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMDigital El

5、ectronics Technology2021-11-24存儲矩陣：由假設(shè)干存儲單元陳列成矩陣方式。存儲矩陣：由假設(shè)干存儲單元陳列成矩陣方式。儲存單元：可由二極管、雙極性三極管或儲存單元：可由二極管、雙極性三極管或MOS管構(gòu)成。管構(gòu)成。地址譯碼器：根據(jù)地址輸入，在存儲矩陣中選出指定的地址譯碼器：根據(jù)地址輸入，在存儲矩陣中選出指定的字對應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。字對應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。輸出緩沖器：添加帶負(fù)載才干；同時(shí)提供三態(tài)控制，以輸出緩沖器：添加帶負(fù)載才干；同時(shí)提供三態(tài)控制，以便和系統(tǒng)的總線相連。便和系統(tǒng)的總線相連。7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMDigital Elec

6、tronics Technology2021-11-247.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM1. 任務(wù)原理任務(wù)原理二四線二四線譯碼器譯碼器A1,A0的四的四個最小項(xiàng)個最小項(xiàng)字線字線位線位線 以以2位地址輸入和位地址輸入和4為數(shù)據(jù)輸出的為數(shù)據(jù)輸出的ROM為為例，其存儲矩陣是四例，其存儲矩陣是四組二極管或門：組二極管或門：當(dāng)當(dāng)EN=0時(shí)，時(shí)，iiDDD1= D3 = A0D0 = W1+ W0 = A1D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0D2= W1= A1+A0Digital Electronics Technology2021-11-24地址與存儲數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系表地址與存儲數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)

7、系表7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM地地 址址數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0Digital Electronics Technology2021-11-247.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM 用用MOS工藝制造的工藝制造的ROM的存儲矩陣如下圖：的存儲矩陣如下圖：Digital Electronics Technology2021-11-24二、可編程只讀存儲器二、可編程只讀存儲器PROM 產(chǎn)品出廠時(shí)存的全是產(chǎn)品出廠時(shí)存的全是1，用，用戶可一次性寫入，即把某些戶可一次性寫入，即把某些1改為改為0。但不

8、能多次擦除。但不能多次擦除。 存儲單元多采用熔絲低存儲單元多采用熔絲低熔點(diǎn)金屬或多晶硅。寫入時(shí)設(shè)熔點(diǎn)金屬或多晶硅。寫入時(shí)設(shè)法在熔絲上通入較大的電流將法在熔絲上通入較大的電流將熔絲燒斷。熔絲燒斷。編程時(shí)編程時(shí)VCC和和字線電壓提高字線電壓提高7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMDigital Electronics Technology2021-11-2416字字8位的位的PROM十六條字線十六條字線八八條條位位線線 讀出時(shí)，讀出放讀出時(shí)，讀出放大器大器AR任務(wù)，寫入放任務(wù)，寫入放大器大器AW不任務(wù)。不任務(wù)。 寫入時(shí)，在位線寫入時(shí)，在位線輸入編程脈沖使寫入輸入編程脈沖使寫入放大器任務(wù)，且輸出放大器

9、任務(wù)，且輸出低電平，同時(shí)相應(yīng)的低電平，同時(shí)相應(yīng)的字線和字線和VCC提高到編提高到編程電平，將對應(yīng)的熔程電平，將對應(yīng)的熔絲燒斷。絲燒斷。缺陷：不能反復(fù)擦除。缺陷：不能反復(fù)擦除。7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMDigital Electronics Technology2021-11-247.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM三、可擦除的可編程只讀存儲器三、可擦除的可編程只讀存儲器EPROM一紫外線擦除的只讀存儲器一紫外線擦除的只讀存儲器UVEPROM最早出現(xiàn)的最早出現(xiàn)的EPROM。通常說的。通常說的EPROM就是指這種。就是指這種。 1. 運(yùn)用運(yùn)用FAMOS管管Floating-gate Aval

10、anche-Injuction MOS，浮柵雪崩注入，浮柵雪崩注入MOS管管 寫入：管子原來不導(dǎo)寫入：管子原來不導(dǎo)通。在漏源之間加上較通。在漏源之間加上較高電壓后如高電壓后如-20V，漏極漏極PN結(jié)雪崩擊穿，部結(jié)雪崩擊穿，部分高速電子積累在浮柵分高速電子積累在浮柵上，使上，使MOS管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。Digital Electronics Technology2021-11-247.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM 擦除：用紫外線或擦除：用紫外線或X射線擦射線擦除。需除。需2030分鐘。分鐘。 缺陷：需求兩個缺陷：需求兩個MOS管；管；編程電壓偏高；編程電壓偏高；P溝道管的溝道管的開關(guān)速度低。開關(guān)速

11、度低。 浮柵上電荷可長期保管浮柵上電荷可長期保管在在125環(huán)境溫度下，環(huán)境溫度下，70%的電荷能保管的電荷能保管10年以上。年以上。存儲單元圖存儲單元圖Digital Electronics Technology2021-11-24 用用N溝道管；添加溝道管；添加控制柵?？刂茤?。 SIMOS管原來可管原來可導(dǎo)通，開啟電壓約為導(dǎo)通，開啟電壓約為2V。 注入電荷：在注入電荷：在DS間加高電壓，同時(shí)在控制柵加間加高電壓，同時(shí)在控制柵加25V、50mS寬的脈沖。由于控制柵上有電壓，所以需求的漏源寬的脈沖。由于控制柵上有電壓，所以需求的漏源電壓相對較小。注入電荷后其開啟電壓達(dá)電壓相對較小。注入電荷后其開

12、啟電壓達(dá)7V，不能正常導(dǎo)，不能正常導(dǎo)通。通。 2. 運(yùn)用管運(yùn)用管SIMOS(Stacked-gate Injuction MOS，疊柵，疊柵注入注入MOS管管)7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMDigital Electronics Technology2021-11-24 這是一種雙這是一種雙譯碼方式，行譯碼方式，行地址譯碼器和地址譯碼器和列地址譯碼器列地址譯碼器共同選中一個共同選中一個單元。每個字單元。每個字只需一位。只需一位。7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMDigital Electronics Technology2021-11-24二電可擦除二電可擦除EPROM(EEPROM或或E

13、2ROM) 用紫外線擦除操作復(fù)雜，速度很慢。必需尋覓新的存用紫外線擦除操作復(fù)雜，速度很慢。必需尋覓新的存儲器件，使得可以用電信號進(jìn)展擦除。儲器件，使得可以用電信號進(jìn)展擦除。 運(yùn)用浮柵隧道氧化層運(yùn)用浮柵隧道氧化層MOS管管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMGCGf漏極漏極Digital Electronics Technology2021-11-24寫入寫寫入寫0擦除寫擦除寫1讀出讀出 特點(diǎn)：浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極薄特點(diǎn)：浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極薄20納米以下，納米以下，稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場大于稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場大于

14、107V/cm時(shí)隧道區(qū)雙導(dǎo)游時(shí)隧道區(qū)雙導(dǎo)游通。通。 當(dāng)隧道區(qū)的等效電容極小時(shí)，加在控制柵和漏極間的當(dāng)隧道區(qū)的等效電容極小時(shí)，加在控制柵和漏極間的電壓大部分降在隧道區(qū)，有利于隧道區(qū)導(dǎo)通。電壓大部分降在隧道區(qū)，有利于隧道區(qū)導(dǎo)通。存儲單元：存儲單元：擦除和寫入均擦除和寫入均利用隧道效應(yīng)利用隧道效應(yīng)10ms7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMDigital Electronics Technology2021-11-247.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM EEPROM的缺陷：擦寫需求高電壓脈沖；擦寫時(shí)間的缺陷：擦寫需求高電壓脈沖；擦寫時(shí)間長；存儲單元需兩只長；存儲單元需兩只MOS管。管。三快閃存儲器三快

15、閃存儲器(Flash Memory)采用新型隧道氧化層采用新型隧道氧化層MOS管。管。 隧道層在源區(qū)；隧道層在源區(qū)； 隧道層更薄隧道層更薄(1015nm)。在控制柵和。在控制柵和源極間加源極間加12V電壓即電壓即可使隧道導(dǎo)通。可使隧道導(dǎo)通。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：Digital Electronics Technology2021-11-247.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM 存儲單元的任務(wù)原理：存儲單元的任務(wù)原理： 1寫入利用雪崩注入法。寫入利用雪崩注入法。源極接地；漏極接源極接地；漏極接6V；控制柵；控制柵12V脈沖，寬脈沖，寬10 s。 2擦除用隧道效應(yīng)?？刂撇脸盟淼佬?yīng)?？刂茤沤拥?；源極接?xùn)沤?/p>

16、地；源極接12V脈沖，寬為脈沖，寬為100ms。由于片內(nèi)一切疊柵管的。由于片內(nèi)一切疊柵管的源極都連在一同，所以一個脈源極都連在一同，所以一個脈沖就可擦除全部單元。沖就可擦除全部單元。 3讀出：源極接地，字線為讀出：源極接地，字線為5V邏輯高電平。邏輯高電平。 快閃存儲器特點(diǎn)：集成度高，容量大，本錢低，運(yùn)用快閃存儲器特點(diǎn)：集成度高，容量大，本錢低，運(yùn)用方便。已有方便。已有64兆位產(chǎn)品問世。很有開展出路。兆位產(chǎn)品問世。很有開展出路。Digital Electronics Technology2021-11-247.3 隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAM一、靜態(tài)隨機(jī)存儲器一、靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM 特點(diǎn)：特

17、點(diǎn)：RAM在任務(wù)時(shí)可隨時(shí)對恣意指定單元進(jìn)展讀或在任務(wù)時(shí)可隨時(shí)對恣意指定單元進(jìn)展讀或?qū)懖僮?。運(yùn)用方便、靈敏。但切斷電源后，所存信息就會寫操作。運(yùn)用方便、靈敏。但切斷電源后，所存信息就會喪失。分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器喪失。分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM和動態(tài)隨機(jī)存儲器和動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM兩種，也可稱為讀寫存儲器。兩種，也可稱為讀寫存儲器。一一RAM的構(gòu)造的構(gòu)造1. 存儲矩陣存儲矩陣2. 地址譯碼：雙譯碼。地址譯碼：雙譯碼。3. 讀寫控制電路：讀寫控制電路： 片選信號片選信號CS：控制：控制I/O端能端能否處在高阻形狀。否處在高阻形狀。 讀寫控制信號讀寫控制信號R/ W：控制電：控制電路處于讀出還是寫入形

18、狀。路處于讀出還是寫入形狀。Digital Electronics Technology2021-11-241024字字4位位2114SRAM構(gòu)造構(gòu)造Digital Electronics Technology2021-11-24二靜態(tài)二靜態(tài)RAM的存儲單元的存儲單元1.六管六管NMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元7.3 隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAMDigital Electronics Technology2021-11-242.六管六管CMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元3.雙極型靜態(tài)存儲單元雙極型靜態(tài)存儲單元7.3 隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAMDigital Electronics Technolo

19、gy2021-11-247.3 隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAM三動態(tài)三動態(tài)RAM的存儲單元的存儲單元 利用利用MOS管柵極電容管柵極電容可以暫存電荷的原理制成?？梢詴捍骐姾傻脑碇瞥?。因此，存儲單元簡單，存因此，存儲單元簡單，存儲容量大。但柵極電容很儲容量大。但柵極電容很小，由于漏電的影響，電小，由于漏電的影響，電容電荷保管時(shí)間很短。必容電荷保管時(shí)間很短。必需定時(shí)給電容充電刷新、需定時(shí)給電容充電刷新、再生。這就需求外圍電路再生。這就需求外圍電路配合。配合。Digital Electronics Technology2021-11-247.4 存儲器容量的擴(kuò)展存儲器容量的擴(kuò)展一、位擴(kuò)展方式一、位擴(kuò)展方式N=目的存儲器容量目的存儲器容量已有存儲器容量已有存儲器容量需求片數(shù)需求片數(shù)N=8例：用例：用1024字字1位位RAM構(gòu)成構(gòu)成1024字字8位位RA