數(shù)字第7章半導(dǎo)體存儲器ppt課件

1、第七章第七章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器 半導(dǎo)體存儲器是一種能存儲大量二值信息半導(dǎo)體存儲器是一種能存儲大量二值信息(或或稱為二值的數(shù)據(jù)稱為二值的數(shù)據(jù))的半導(dǎo)體器件。的半導(dǎo)體器件。 在電子計算機以及其他一些數(shù)字系統(tǒng)的任務(wù)在電子計算機以及其他一些數(shù)字系統(tǒng)的任務(wù)過程中，都需求對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲。因此，過程中，都需求對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲。因此，存儲器也就成了這些數(shù)字系統(tǒng)不可短少的組成部存儲器也就成了這些數(shù)字系統(tǒng)不可短少的組成部分。分。7.1 概述概述 由于計算機處置的數(shù)據(jù)量越來越大，運算速由于計算機處置的數(shù)據(jù)量越來越大，運算速度越來越快，這就要求存儲器具有更大的存儲容度越來越快，這就要求存儲器具有更大

2、的存儲容量和更快的存取速度。通常都把存儲量和存取速量和更快的存取速度。通常都把存儲量和存取速度作為衡量存儲器性能的重要目的。目前動態(tài)存度作為衡量存儲器性能的重要目的。目前動態(tài)存儲器的容量已達(dá)儲器的容量已達(dá)109位片。一些高速隨機存儲位片。一些高速隨機存儲器的存取時間僅器的存取時間僅 10ns 左右。左右。 由于半導(dǎo)體存儲器的存儲單元數(shù)目極其龐大由于半導(dǎo)體存儲器的存儲單元數(shù)目極其龐大而器件的引腳數(shù)目有限，所以在電路構(gòu)造上就不而器件的引腳數(shù)目有限，所以在電路構(gòu)造上就不能夠像存放器那樣把每個存儲單元的輸入和輸出能夠像存放器那樣把每個存儲單元的輸入和輸出直接引出。直接引出。 為理處理這個矛盾，在存儲器

3、中給每個存儲為理處理這個矛盾，在存儲器中給每個存儲單元編了一個地址，只需被輸入地址代碼指定的單元編了一個地址，只需被輸入地址代碼指定的那些存儲單元才干與公共的輸入輸出引腳接通，那些存儲單元才干與公共的輸入輸出引腳接通，進(jìn)展數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭?。進(jìn)展數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭?。SIM卡卡數(shù)碼相機用的數(shù)碼相機用的MS記憶棒記憶棒運用運用FLASH Memory 的電子盤的電子盤U盤盤MP3播放器播放器PC機主板機主板內(nèi)存插槽內(nèi)存插槽內(nèi)存條內(nèi)存條 半導(dǎo)體存儲器的種類很多，首先從半導(dǎo)體存儲器的種類很多，首先從存、取功能上可以分為只讀存儲器存、取功能上可以分為只讀存儲器 ( Read-Only Memory，簡稱，簡

4、稱 ROM )和隨和隨機存儲器機存儲器( Random Access Memory，簡，簡稱稱 RAM ) 兩大類。兩大類。7.2 只讀存儲器只讀存儲器 ROM 只讀存儲器在正常任務(wù)形狀下只能從中讀取數(shù)只讀存儲器在正常任務(wù)形狀下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地隨時修正或重新寫入數(shù)據(jù)。據(jù)，不能快速地隨時修正或重新寫入數(shù)據(jù)。 ROM的優(yōu)點是電路構(gòu)造簡單，而且在斷電以后的優(yōu)點是電路構(gòu)造簡單，而且在斷電以后數(shù)據(jù)不會喪失。它的缺陷是只適用于存儲那些固定數(shù)據(jù)不會喪失。它的缺陷是只適用于存儲那些固定數(shù)據(jù)的場所。數(shù)據(jù)的場所。 只讀存儲器中又有掩模只讀存儲器中又有掩模ROM、可編程、可編程ROM ( Program

5、mable Read-Only Memory，簡稱，簡稱PROM )和可擦除的可編程和可擦除的可編程 ROM ( Erasable Programmable ReadOnly Memory，簡稱，簡稱EPROM幾種不同類幾種不同類型。型。圖圖7.2.1 ROM的電路構(gòu)造框圖的電路構(gòu)造框圖7.2.1 掩膜只讀存儲器掩膜只讀存儲器00圖圖7.2.2 二極管二極管ROM的的電路構(gòu)造圖電路構(gòu)造圖01 10 11011001100存儲矩陣存儲矩陣011010000110010二極管反偏不通二極管反偏不通接二極管的位置存儲接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲不接存儲 0存儲矩陣存儲矩陣11010100接二極

6、管的位置存儲接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲不接存儲 0存儲矩陣存儲矩陣00100010接二極管的位置存儲接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲不接存儲 0存儲矩陣存儲矩陣10110001接二極管的位置存儲接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲不接存儲 0譯碼矩陣譯碼矩陣001110001000譯碼矩陣譯碼矩陣011011000001100圖圖7.2.2 二極管二極管ROM的電的電路構(gòu)造圖路構(gòu)造圖01 10 11011000110 0010110044位存儲器位存儲器 數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)表圖圖7.2.3 用用MOS管構(gòu)成的存儲矩陣管構(gòu)成的存儲矩陣1007.2.2 可編程只讀存儲器可編程只讀存儲器PROM 在

7、開發(fā)數(shù)字電路新產(chǎn)品的任務(wù)過程中，設(shè)計在開發(fā)數(shù)字電路新產(chǎn)品的任務(wù)過程中，設(shè)計人員經(jīng)常需求按照本人的想象迅速得到存有所需人員經(jīng)常需求按照本人的想象迅速得到存有所需內(nèi)容的內(nèi)容的ROM。這時可以經(jīng)過將所需內(nèi)容自行寫入。這時可以經(jīng)過將所需內(nèi)容自行寫入PROM而得到要求的而得到要求的ROM。 PROM的總體構(gòu)造與掩模的總體構(gòu)造與掩模ROM一樣，同樣由一樣，同樣由存儲矩陣、地址譯碼器和輸出電路組成。不過在存儲矩陣、地址譯碼器和輸出電路組成。不過在出廠時曾經(jīng)在存儲矩陣的一切交叉點上全部制造出廠時曾經(jīng)在存儲矩陣的一切交叉點上全部制造了存儲元件，即相當(dāng)于在一切存儲單元中都存人了存儲元件，即相當(dāng)于在一切存儲單元中都

8、存人了了1。圖7.2.4 熔絲型PROM的存儲單元前往前往圖7.2.5 PROM管的構(gòu)造原理圖7.2.3 可擦除的可編程只讀存儲器可擦除的可編程只讀存儲器一、一、EPROM ( UVEPROM ) 由于可擦除的可編程由于可擦除的可編程ROM(EPROM)中存儲的中存儲的數(shù)據(jù)可以擦除重寫，因此在需求經(jīng)常修正數(shù)據(jù)可以擦除重寫，因此在需求經(jīng)常修正ROM中中內(nèi)容的場所它便成為一種比較理想的器件。內(nèi)容的場所它便成為一種比較理想的器件。 最早研討勝利并投入運用的最早研討勝利并投入運用的EPROM是用紫外是用紫外線照射進(jìn)展擦除的；并被稱之為線照射進(jìn)展擦除的；并被稱之為EPROM。因此，。因此，如今一提到如今

9、一提到EPROM就是指的這種用紫外線擦除的就是指的這種用紫外線擦除的可編程可編程ROM ( Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory，簡稱；，簡稱；UVEPROM)。 不久又出現(xiàn)了用電信號可擦除的可編程不久又出現(xiàn)了用電信號可擦除的可編程ROM ( Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory，簡稱，簡稱E2PROM)。后來又研制勝利的快閃。后來又研制勝利的快閃存儲器存儲器(Flash Memory)也是一種用電信號擦除的可也是一種用電信號擦除的可編程編程 ROM。一、一、EPR

10、OM( UVPROM) EPROM與前面曾經(jīng)講過的與前面曾經(jīng)講過的PROM在總體構(gòu)在總體構(gòu)造方式上沒有多大區(qū)別，只是采用了不同的存儲造方式上沒有多大區(qū)別，只是采用了不同的存儲單元。單元。 早期早期EPROM的存儲單元中運用了浮柵雪崩的存儲單元中運用了浮柵雪崩注入注入MOS管管(Floating-gate Avalanche-Injuction Metal-Oxide-Semiconductor，簡稱，簡稱FAMOS管管)，它的構(gòu)造表示圖和符號如圖它的構(gòu)造表示圖和符號如圖 7.2.6所示。所示。 圖7.2.6 FAMOS管的構(gòu)造和符號 FAMOS管本身是一個管本身是一個P溝道加強型的溝道加強型的

11、MOS管，但柵極管，但柵極“浮置于浮置于SiO2層內(nèi)，與其他部分均層內(nèi)，與其他部分均不相連，處于完全絕緣的形狀。假設(shè)在它的漏極不相連，處于完全絕緣的形狀。假設(shè)在它的漏極和源極之間加上比正常任務(wù)電壓高得多的負(fù)電壓和源極之間加上比正常任務(wù)電壓高得多的負(fù)電壓 (通常為通常為45V左右左右)，那么可使漏極與襯底之間，那么可使漏極與襯底之間的的PN結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，耗盡區(qū)里的電子在強電結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，耗盡區(qū)里的電子在強電場作用下以很高的速度從漏極的場作用下以很高的速度從漏極的P+區(qū)向外射出，區(qū)向外射出，其中速度最快的一部分電子穿過其中速度最快的一部分電子穿過SiO2層而到達(dá)浮層而到達(dá)浮置柵，被浮置柵俘獲而

12、構(gòu)成柵極存儲電荷。這個置柵，被浮置柵俘獲而構(gòu)成柵極存儲電荷。這個過程就叫做雪崩注入。過程就叫做雪崩注入。 漏極和源極間的高電壓去掉以后，由于注入漏極和源極間的高電壓去掉以后，由于注入到柵極上半導(dǎo)體存儲器的電荷沒有放電通路，所到柵極上半導(dǎo)體存儲器的電荷沒有放電通路，所以能長久保管下來。在以能長久保管下來。在 + 125的環(huán)境溫度下，的環(huán)境溫度下，70以上的電荷能保管以上的電荷能保管10年以上。在柵極獲得足夠年以上。在柵極獲得足夠的電荷以后，漏的電荷以后，漏源間便構(gòu)成導(dǎo)電溝道，使源間便構(gòu)成導(dǎo)電溝道，使FAMOS管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。 假設(shè)用紫外線或假設(shè)用紫外線或X射線照射射線照射FAMOS管的柵極管的柵

13、極氧化層，那么氧化層，那么SiO2層中將產(chǎn)生電子層中將產(chǎn)生電子空穴對，為空穴對，為浮置柵上的電荷提供泄放通道，使之放電。待柵浮置柵上的電荷提供泄放通道，使之放電。待柵極上的電荷消逝以后，導(dǎo)電溝道也隨之消逝，極上的電荷消逝以后，導(dǎo)電溝道也隨之消逝，F(xiàn)AMOS管恢復(fù)為截止形狀。這個過程稱為擦除。管恢復(fù)為截止形狀。這個過程稱為擦除。擦除時間約需擦除時間約需2030分鐘。為便于擦除操作，在分鐘。為便于擦除操作，在器件外殼上裝有透明的石英蓋板。在寫好數(shù)據(jù)以器件外殼上裝有透明的石英蓋板。在寫好數(shù)據(jù)以后應(yīng)運用不透明的膠帶將石英蓋板遮蓋，以防止后應(yīng)運用不透明的膠帶將石英蓋板遮蓋，以防止數(shù)據(jù)喪失。數(shù)據(jù)喪失。圖7

14、.2.7 運用FAMOS管的存儲單元圖7.2.8 SIMOS管的構(gòu)造和符號前往前往圖7.2.9 運用SIMOS管的256 1位EPROM前往前往圖7.2.10 Flotox管的構(gòu)造和符號前往前往圖7.2.11 E2 PROM的存儲單元前往前往圖7.2.12 E2 PROM存儲單元的三種任務(wù)形狀a讀出形狀 b擦除寫1形狀 c寫入寫0形狀前往前往圖7.2.13 快閃存儲器中的疊柵MOS管前往前往圖7.2.14 快閃存儲器的存儲單元前往前往7.3 隨機存儲器RAM圖7.3.1 SRAM的構(gòu)造框圖圖7.3.2 1024x4位RAM2114的構(gòu)造框圖圖7.3.3 六管NMOS靜態(tài)存儲單元圖7.3.4 六

15、管CMOS靜態(tài)存儲單元圖7.3.5 雙極型RAM 的靜態(tài)存儲單元圖7.3.6 四管動態(tài)MOS存儲單元圖7.3.7 三管動態(tài)MOS存儲單元圖7.3.8 單管動態(tài)MOS存儲單元圖7.3.9 DRAM中的靈敏恢復(fù)/讀出放大器圖7.3.10 靈敏恢復(fù)/讀出放大器的讀出過程a讀出0的情況b讀出1的情況圖7.3.11 DRAM的總體構(gòu)造框圖前往前往圖7.3.1 SRAM的構(gòu)造框圖前往前往圖7.3.2 1024 4位RAM2114的構(gòu)造框圖前往前往圖7.3.3 六管NMOS靜態(tài)存儲單元前往前往圖7.3.4 六管CMOS靜態(tài)存儲單元前往前往圖7.3.5 雙極型RAM 的靜態(tài)存儲單元前往前往圖7.3.6 四管動

16、態(tài)MOS存儲單元前往前往圖7.3.7 三管動態(tài)MOS存儲單元前往前往圖7.3.8 單管動態(tài)MOS存儲單元前往前往圖7.3.9 DRAM中的靈敏恢復(fù)/讀出放大器前往前往圖7.3.10 靈敏恢復(fù)/讀出放大器的讀出過程 a讀出0的情況 b讀出1的情況前往前往圖7.3.11 DRAM的總體構(gòu)造框圖前往前往7.4 存儲器容量的擴展 圖7.4.1 RAM的位擴展接法 圖7.4.2 RAM的字?jǐn)U展接法前往前往圖7.4.1 RAM的位擴展接法前往前往圖7.4.2 RAM的字?jǐn)U展接法前往前往7.5 用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù) 圖7.5.1 例7.5.1的電路 圖7.5.2 例7.5.2的ROM點陣圖前往前往圖7.5.1 例7.5.1的電路前往前往圖7.5.2 例7.5.2的ROM點陣圖前往前往7.6 串行存儲器圖7.6.1 用靜態(tài)移位存放器組成的串行存儲器圖7.6.2 后進(jìn)先出型串行存儲器的構(gòu)造框圖圖7.6.3 串、并聯(lián)構(gòu)造的先進(jìn)先出型串行存儲器圖7.6.4 有比型動態(tài)MOS反相器圖7.6.5 兩相有比型動態(tài)MOS移位存放單元a電路構(gòu)造b任務(wù)波形圖7.6.6 無比型動態(tài)MOS反相器圖7.6.7 兩相無比型動態(tài)MOS移位存放單元a電路構(gòu)造b任務(wù)波形圖7.6.8 改良的兩相無比型動態(tài)MOS移位存放單元 a電路構(gòu)造b任務(wù)波形圖7.6.9 動態(tài)CMOS移位存放單元 a電路構(gòu)造b任務(wù)波形前往前往圖7.6.1