數(shù)字電子技術基礎7半導體存儲器

1、7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 只讀存儲器只讀存儲器( ROM )( ROM )7.3 7.3 隨機存儲器隨機存儲器( RAM )( RAM ) 7.4 7.4 存儲器容量的擴展存儲器容量的擴展7.5 7.5 用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)第七章第七章 半導體存儲器半導體存儲器內容提要內容提要 本章系統(tǒng)地介紹各種半導體存儲器的工本章系統(tǒng)地介紹各種半導體存儲器的工作原理及其應用。作原理及其應用。重點內容有：重點內容有： 1、存儲器的基本工作原理、分類和每種、存儲器的基本工作原理、分類和每種類型存儲器的特點；類型存儲器的特點； 2、擴展存儲器容量的方法；、擴展存儲器容量的

2、方法； 3、用存儲器設計組合邏輯電路的原理和、用存儲器設計組合邏輯電路的原理和方法。方法。7.1 概概 述述 半導體存儲器是能存儲二值信息半導體存儲器是能存儲二值信息（0 0、1 1）的半導體器件，屬的半導體器件，屬大規(guī)模大規(guī)模集成電路，是進集成電路，是進一步完善數(shù)字系統(tǒng)功能的重要部件。一步完善數(shù)字系統(tǒng)功能的重要部件。 存儲器的存儲器的重要指標：重要指標：存儲量和存取速度。存儲量和存取速度。 結構特點：結構特點：給每個存儲單元編一個地址給每個存儲單元編一個地址，只有被輸入地址代碼指定的那些單元才能與，只有被輸入地址代碼指定的那些單元才能與公共的輸入公共的輸入/ /輸出引腳接通，進行數(shù)據(jù)的讀出輸

3、出引腳接通，進行數(shù)據(jù)的讀出和寫入。和寫入。 半導體存儲器從半導體存儲器從制造工藝制造工藝上分為上分為: : (1)(1)雙極型存儲器雙極型存儲器 (2)MOS (2)MOS型存儲器型存儲器 鑒于鑒于MOS電路具有功耗低、集成度高電路具有功耗低、集成度高的優(yōu)點，的優(yōu)點，目前，大容量的存儲器都是采用目前，大容量的存儲器都是采用MOS工藝制作的。工藝制作的。(2) 隨機存儲器隨機存儲器( RAM )(1) 只讀存儲器只讀存儲器( ROM ) 半導體存儲器從半導體存儲器從存、取功能存、取功能上分為：上分為：7. 2 只讀存儲器只讀存儲器( ROM ) 按按工藝工藝分分二極管二極管ROMMOS型型ROM

4、雙極型雙極型ROM按按存儲存儲機理機理分分固定固定ROM(掩膜式掩膜式ROM)EPROM（光可擦除可編程存儲器）（光可擦除可編程存儲器）PROM（一次可編程存儲器）（一次可編程存儲器）E2PROM （電可擦除可編程存儲器）（電可擦除可編程存儲器）快閃存儲器快閃存儲器(Flash Memory)(Flash Memory) 只讀存儲器在正常工作狀態(tài)下只讀存儲器在正常工作狀態(tài)下只能讀取數(shù)只能讀取數(shù)據(jù)，不能快速修改或寫入數(shù)據(jù)。據(jù)，不能快速修改或寫入數(shù)據(jù)。優(yōu)點：優(yōu)點：電路結構簡單，斷電數(shù)據(jù)不會丟失。電路結構簡單，斷電數(shù)據(jù)不會丟失。7. 2 只讀存儲器只讀存儲器( ROM )7. 2. 1 掩模掩模只讀

5、存儲器只讀存儲器 ROM的電路結構主要由的電路結構主要由地址譯碼器地址譯碼器、存儲存儲矩陣矩陣和和輸出緩沖器輸出緩沖器三部分組成。三部分組成。A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器EN存儲存儲矩陣矩陣輸出輸出緩沖緩沖器器字線字線位線位線A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0譯譯碼碼器器A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器假設假設 ：A1A0 1110001100ENA1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器1100及及 時時歸歸 納納1當某一字線當某一字線被選中時，被選中時，這個字

6、線與這個字線與位線間若接位線間若接有二極管，有二極管，則該位線輸則該位線輸出為出為 1 ，否，否則為則為0。EN假設假設 ：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器0101A1A0 10EN假設假設 ：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器0101A1A0 01EN假設假設 ：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器0011A1A0 001111EN000101111111111000000001地地 址址A1A0D3D2D1D0內內 容容位線位線A1A0A1A0A1A0A1A0A1A

7、0D3D2D1D0-VCC譯譯碼碼器器 字線字線 輸入任意一個輸入任意一個地址碼，譯碼器地址碼，譯碼器就可使與之對應就可使與之對應的某條字線為高的某條字線為高電平，進而可以電平，進而可以從位線上讀出四從位線上讀出四位輸出數(shù)字量。位輸出數(shù)字量。EN圖圖7.2.3是使是使用用 MOS 管的管的ROM 矩陣：矩陣：字線與位線字線與位線的交叉點上的交叉點上有有 MOS 管管時相當于存時相當于存1，無無 MOS 管時相當于管時相當于存存0。7. 2. 2 可編程只讀存儲器（可編程只讀存儲器（PROM） 是一種可編程序的是一種可編程序的 ROM ，在出廠時，在出廠時全部存儲全部存儲 “1”，用戶可根據(jù)需要

8、將某些，用戶可根據(jù)需要將某些單元改寫為單元改寫為 “0”, 然而只能改寫一次，然而只能改寫一次，稱其為稱其為 PROM。 若將熔絲燒斷，若將熔絲燒斷，該單元則變成該單元則變成“0”。顯然，一旦燒斷后顯然，一旦燒斷后不能再恢復。不能再恢復。圖圖7.2.4 熔絲型熔絲型PROM的存儲單元的存儲單元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EPROM:紫外線可擦除的可編程只讀存儲器紫外線可擦除的可編程只讀存儲器 (簡稱簡稱UVEPROM)E2PROM:電可擦除的電可擦除的可編程只讀存儲器可編程只讀存儲器Flash Memory：快閃存儲器快閃存儲器1) 1) 存儲單元存儲單元-疊柵

9、疊柵MOSMOS管（管（SIMOSSIMOS）原理：原理：利用浮柵是否積累負電利用浮柵是否積累負電荷來存儲數(shù)據(jù)。荷來存儲數(shù)據(jù)。在寫入數(shù)據(jù)前：在寫入數(shù)據(jù)前：浮柵無電子，浮柵無電子，SIMOSSIMOS管同正常管同正常MOSMOS管，開管，開啟電壓為啟電壓為V VT T ；寫數(shù)據(jù)時，需在漏、柵；寫數(shù)據(jù)時，需在漏、柵極之間加足夠高的電壓（如極之間加足夠高的電壓（如25V25V）使漏）使漏極與襯底之間的極與襯底之間的PNPN結反向擊穿，產生大結反向擊穿，產生大量的高能電子。這些電子穿過氧化絕緣量的高能電子。這些電子穿過氧化絕緣層堆積在浮柵上，從而使浮柵帶有負電層堆積在浮柵上，從而使浮柵帶有負電荷。浮柵

10、有電子后，控制柵需要加更大荷。浮柵有電子后，控制柵需要加更大正壓才能使管子開啟，開啟電壓為正壓才能使管子開啟，開啟電壓為V VT T。N+N+ g 浮柵 g 控制柵極SD-+P型襯底VgsiD0VT VT 1. EPROM:紫外線可擦除紫外線可擦除只讀存儲器只讀存儲器符號符號1. EPROM: 擦除時，用紫外光照射其透明的石英蓋擦除時，用紫外光照射其透明的石英蓋板板1020分鐘，浮柵上的電子形成光電流分鐘，浮柵上的電子形成光電流而泄放，其內部的數(shù)據(jù)將而泄放，其內部的數(shù)據(jù)將全部擦除全部擦除了，這了，這時可以再通過專用的編程器寫入希望的數(shù)時可以再通過專用的編程器寫入希望的數(shù)據(jù)。據(jù)。 由于浮柵被絕緣

11、二氧化硅包圍，浮柵上由于浮柵被絕緣二氧化硅包圍，浮柵上電荷沒有放電回路，信息不會丟失，這種存電荷沒有放電回路，信息不會丟失，這種存儲的信息可能安全保存儲的信息可能安全保存20年以上，但為了防年以上，但為了防止平時日光中的紫外線的照射，在其石英窗止平時日光中的紫外線的照射，在其石英窗口上帖上黑紙。口上帖上黑紙。N+N+ g 浮柵 g 控制柵極SD-+P型襯底2. E2PROM: 電可擦除的電可擦除的PROM E2PROM是在是在EPROM的基礎上開發(fā)出的基礎上開發(fā)出來的，可以在加電的情況下來的，可以在加電的情況下以以字節(jié)字節(jié)為單位進為單位進行擦除和改寫行擦除和改寫, ,并可直接在機器內進行擦除并

12、可直接在機器內進行擦除和改寫和改寫, ,方便靈活。方便靈活。 E2PROM內部電路與內部電路與EPROM電路類似電路類似,在在SIMOS中的結構進行了一些調整，在浮柵中的結構進行了一些調整，在浮柵延長區(qū)與漏區(qū)延長區(qū)與漏區(qū)N+之間的交疊處的薄絕緣層相之間的交疊處的薄絕緣層相當于一個當于一個遂道二極管遂道二極管（見圖（見圖7.2.10），該），該MOS管也稱為隧道管也稱為隧道MOS管。管。 E2PROM不需要紫外光激發(fā)放電，即擦除和不需要紫外光激發(fā)放電，即擦除和編程只須加電就可以完成了，且寫入的電流很編程只須加電就可以完成了，且寫入的電流很小。小。 原理：原理：利用浮柵是否積累負電荷來存儲數(shù)利用浮

13、柵是否積累負電荷來存儲數(shù)據(jù)。據(jù)。在在D D、G G正向電壓正向電壓作用下，漏極電荷通過該作用下，漏極電荷通過該二極管流向浮柵，使管子導通；若二極管流向浮柵，使管子導通；若D D、G G加加反向反向電壓電壓，浮柵上的電荷流回漏極，起擦除作用，浮柵上的電荷流回漏極，起擦除作用，擦除電壓大小與工作電壓相同擦除電壓大小與工作電壓相同N+N+ G 浮柵 G 控制柵極SD-+P型襯底 是是8080年代末推出的新型存儲芯片年代末推出的新型存儲芯片, ,它的主要特點它的主要特點是在掉電情況下可長期保存信息是在掉電情況下可長期保存信息, ,具有非易失性，原具有非易失性，原理上看象理上看象ROMROM；但又能在線

14、進行快速擦除與改寫；但又能在線進行快速擦除與改寫, ,功功能上象能上象RAM,RAM,因此兼有因此兼有E E2 2PROMPROM和和SRAMSRAM的優(yōu)點。的優(yōu)點。3 3、快閃存儲器、快閃存儲器(Flash Memory)(Flash Memory)N+N+ g 浮柵 g 控制柵極SD-+P型襯底 內部電路與內部電路與EPROM電電路類似路類似,在在SIMOS中的結構中的結構進行了一些調整。進行了一些調整。 原理：原理：利用浮柵是否積利用浮柵是否積累負電荷來存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)累負電荷來存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入寫入與與EPROM 相同；相同；數(shù)數(shù)據(jù)擦除，據(jù)擦除，在源極加正電壓，在源極加正電壓，使浮柵放電

15、，按扇區(qū)擦除。使浮柵放電，按扇區(qū)擦除。 FlashFlash有單片應用和固態(tài)盤應用，固態(tài)有單片應用和固態(tài)盤應用，固態(tài)盤分卡式和盤式兩種。閃速卡盤分卡式和盤式兩種。閃速卡, ,用在可移動用在可移動計算機中計算機中, ,如數(shù)字相機如數(shù)字相機, ,手機手機,CD-ROM,CD-ROM等。閃等。閃速固態(tài)盤速固態(tài)盤, ,用于惡略環(huán)境中代替硬盤。用于惡略環(huán)境中代替硬盤。 讀取速度較快讀取速度較快(100ns(100ns左右左右),),低功耗低功耗, ,改寫改寫次數(shù)目前達次數(shù)目前達100100萬次萬次, ,價格接近價格接近EPROMEPROM。存儲。存儲容量從幾十容量從幾十KB, KB, 到幾十到幾十MBM

16、B、幾、幾GBGB等。等。體積小體積小, ,可靠性高可靠性高, ,內部無可移動部分內部無可移動部分, ,無噪聲無噪聲, ,抗震抗震動力強動力強, ,是小型硬盤的代替品是小型硬盤的代替品。7. 3 隨機存儲器隨機存儲器( RAM )隨機隨機存儲器又稱存儲器又稱讀寫存儲器讀寫存儲器。 隨機隨機存儲器的存儲器的特點特點是：在工作過程中，是：在工作過程中，可隨時從存儲器的任何指定地址讀出數(shù)據(jù)，可隨時從存儲器的任何指定地址讀出數(shù)據(jù)，也可以隨時將數(shù)據(jù)寫入任何一個指定的存也可以隨時將數(shù)據(jù)寫入任何一個指定的存儲單元中去。儲單元中去。 按存儲機理主要可分為按存儲機理主要可分為 靜態(tài)靜態(tài)RAM 、動態(tài)動態(tài)RAM兩

17、類；靜態(tài)和動態(tài)兩類；靜態(tài)和動態(tài)RAM是是易失易失性性存儲器，在供電電壓中斷時，存儲內容存儲器，在供電電壓中斷時，存儲內容丟失。丟失。W3W2W1W0地地址址譯譯碼碼器器讀寫讀寫 及及 輸入輸入/輸出控制輸出控制I / O1I / O0CSR / WA0A1D1D1D0D0存存儲儲矩矩陣陣7. 3. 1靜態(tài)隨機存儲器（靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）(1) 存儲矩陣：存儲矩陣：存儲器容量存儲器容量= 字數(shù)字數(shù)字長字長如一個如一個1024 4存儲器，有存儲器，有4096個存儲單元。個存儲單元。可設計成可設計成64 64的矩陣形式。的矩陣形式。(2) 地址譯碼：地址譯碼： 存儲單元中每個存儲單元中每個字字

18、有唯一的地址，利有唯一的地址，利用地址譯碼器進行地址選擇。用地址譯碼器進行地址選擇。大容量的大容量的 存儲器中，一般采用雙譯碼結構：存儲器中，一般采用雙譯碼結構：行地址譯碼器行地址譯碼器 + 列地址譯碼器列地址譯碼器存儲器的容量存儲器的容量指的是每個存儲芯片所能存指的是每個存儲芯片所能存儲的二進制數(shù)的位數(shù)。儲的二進制數(shù)的位數(shù)。行行地址譯碼器地址譯碼器產生產生行行選擇線選擇線列列地址譯碼器地址譯碼器產生產生列列選擇線選擇線1024 4(64 16 4)的的存儲器的地址線：存儲器的地址線：6根行地址線：根行地址線：(A8A7A6A5A4A3)4根列地址線根列地址線: (A9A2A1A0)譯碼產生譯

19、碼產生64根行根行選擇線選擇線譯碼產生譯碼產生16根列根列選擇線選擇線若若A9A8A7A6A5 A4A3A2A1A0=0111111000，則選中則選中Y0和和X63。VDDVGGWiDDI/OR / W111T2T3T4T5T6QQT1字線字線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線二、二、 SRAM靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元:WiDD符號符號1VDD介紹靜態(tài)介紹靜態(tài)RAM存儲單元的工作原理存儲單元的工作原理:VGGWiDDI/OR / W111T2T3T4T5T6QQT1字線字線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線 由增強型由增強型 NMOS管管T1和和 T2、T3和和T4 構構成一個基本成一個基本 R-S觸發(fā)器，觸發(fā)

20、器， 它是它是存儲信息的基存儲信息的基本單元。本單元。 VGGT2T1T3T4VDD靜態(tài)靜態(tài)RAM特特點點是：是：數(shù)據(jù)由觸發(fā)數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶！器記憶！1VGGWiDDI/OR / W111T2T3T4T5T6QQT1字線字線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線 T5和和T6是是門控管，門控管， 由字由字線線Wi控制其導控制其導通或截止：通或截止： Wi1 ，否則就截止。否則就截止。T5T6兩管導通；兩管導通； 門控管門控管T5和和T6導通時可導通時可以進行以進行“讀讀”或或“寫寫”的操的操作。作。VDD1VGGWiDDI/OR / W123T2T3T4T5T6T1字線字線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線 R /

21、W的控制作用：的控制作用： = 0時，時，R/W而門而門2處于處于高阻狀態(tài)，高阻狀態(tài)，0三態(tài)門三態(tài)門1、3接通，接通，00 使使 I/O 信信號得以經(jīng)號得以經(jīng)過門過門1、3送到數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上，以線上，以便便寫入寫入 。VDDVGGWiDDI/OR / W123T2T3T4T5T6T1字線字線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線 R / W的控制作用：的控制作用：R/W 1 時，時，門門1、3處于處于高阻狀態(tài)，高阻狀態(tài)，1門門2接通，接通，1將數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)線上信號送上信號送到到 I / O，以便以便讀出讀出。1VDD*7.3.2 動態(tài)隨機存儲器（動態(tài)隨機存儲器（DRAM） 為減少為減少MOSMOS管數(shù)目管

22、數(shù)目, ,提高集成度和降低功提高集成度和降低功耗耗, ,出現(xiàn)了動態(tài)出現(xiàn)了動態(tài)RAMRAM器件。器件。 常見的動態(tài)常見的動態(tài)RAM存儲單元有三管和單存儲單元有三管和單管動態(tài)存儲電路。管動態(tài)存儲電路。見書圖見書圖7.3.7、圖、圖7.3.8 動態(tài)動態(tài)RAM存儲數(shù)據(jù)的原理是基于存儲數(shù)據(jù)的原理是基于MOS管管柵極電容的電荷存儲效應柵極電容的電荷存儲效應。 即即存放信息靠的是存放信息靠的是電容電容, , 由于電容會逐漸放電由于電容會逐漸放電, ,故需對動態(tài)故需對動態(tài)RAMRAM不斷進行讀出和再寫入不斷進行讀出和再寫入, ,這就是所謂這就是所謂刷新。刷新。靜態(tài)靜態(tài)RAM(RAM(即即SRAM),SRAM)

23、,其存儲電路以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其存儲電路以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基礎為基礎, ,狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定, ,只要不掉電只要不掉電, ,信息不會丟失信息不會丟失, ,但但集成度低。集成度低。動態(tài)動態(tài)RAM(RAM(即即DRAM),DRAM),存儲單元電路以電容為基礎存儲單元電路以電容為基礎, ,電路簡單電路簡單, ,集成度高集成度高, ,功耗低功耗低, ,因電容漏電因電容漏電, ,需定時需定時刷新。刷新。小小 結結7.4 存儲器容量的擴展存儲器容量的擴展123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R / WRAM 2114 管腳圖管

24、腳圖2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD3D2D1D4RAM 6116 管腳圖管腳圖A2A711112141324A8D5D6D7RDWR(1K4)(2K8)7.4.1 位擴展位擴展 方式方式A9A0R/W CSD1D3D2D0A9A0R/W CSD1D3D2D0. . . . .2114 (2)2114 (1).A0A9D7D6D5D4D1D3D2D0CSR/W用兩片用兩片2114( 1024 4 )構成構成 1024 8 只要把只要把各片各片地址線、各控制線對應并聯(lián)地址線、各控制線對應并聯(lián)在一起，在一起， 要達到這

25、個目的方法很簡單，要達到這個目的方法很簡單，示范接線如下圖：示范接線如下圖：7.4.2 字擴展字擴展 方式方式思路：思路： ( 1) 訪問訪問4096個字單元，個字單元，必然有必然有 12 根地址線；根地址線； ( 2) 訪問訪問 RAM2114，只需只需 10 根地址線，尚余根地址線，尚余 2根地址線根地址線 ； ( 3) 設法用設法用剩余的剩余的 2根根地址線去控制地址線去控制4個個2114的的片片選端選端 。 通過用通過用10244 ( 4片片2114 ) 構成構成40964為例，介紹為例，介紹 解決這類問題的解決這類問題的辦法。辦法。CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0

26、D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32 4譯譯碼碼器器A11A10A0A9D3D2D1D02114 (1)2114 (2)2114 (3)2114 (4)R/WY0Y3用四片用四片 RAM 2114 構成構成 4096 4 的存儲容量的存儲容量A11A10選中片序號選中片序號對應的存儲單元地址對應的存儲單元地址 0 0 1 1 1 0 0 12114(1)2114(2)2114(3)2114(4)00 0000000000 00 11111111111024 20472048 3071 3072 4095CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32114 (1)2114 (2)2114 (3)2114 (4)01 0000000000 01 111111111110 0000000000 10 111111111111 0000000000 11 11111111110 10237. 5用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù) ROM ROM的的譯碼器輸出包含了輸入變量全部的最小的的譯碼器輸出包含了輸入變量全部的最小項項, ,而每一位數(shù)