DRAM的基本工作原理

1、DRAM的基本工作原理林振革內(nèi)容襟堰醇！t：|電支|DRAM的工作原理|言己情罩元|感雁放大器|前言由於瓷言/科技的帶勤使得半蹲ft言己意It的技秫亍突來猛迤，尤其適三十襄年來DRAM由最早期的1KDRAM到目前的512MDRAM不是言己，憾容量的增加、存取速度的提昇、每罩位位元的成本降低等改建速度都非?？焖伲虼薉RAM的相技彳桿瓢疑已余筌是半技秫亍的領(lǐng)先指襟了。然而，自4KDRAM改用罩一重晶ft+重容的言己情罩元霜t以來基本言已情罩元(MemoryCell)的霜t特性未改建太多，因此雖隹然目前言已情容量已增加到512M以上，然而DRAM的基本工作原理仍然是沒有太大改建。DRAM的工作原理

2、DRAM的結(jié)情MOSDRAM的懶!架橫如圜1所示，每偃I言已情罩元可儲存一偃I位元的數(shù)位資料0或1,言己情罩元藉由行(row)典列(column)方式的排列形成二次元障列，假由n行和m列的言己情罩元所排列成的二次元障列畤可以橫成nXm=N位元言已情ft。常資料:B入或由言已情罩元中K取日寺，是符言己情罩元的位址申俞入行和列位址彳薊器(addressbuffer),利用行解礁器(rowdecoder)逗攆n僚字元(wordline)中特定的一修，每一修字元曾輿m僚位元(bitline)和m位元的言己情罩速接，位元典言已情罩元之具有一偃I感鷹放大器放大存在言己情罩元中的短因此m僚位元具有m偃I感鷹

3、放大器(senseamplifier)。常逗攆字元之彳爰，列解礁器(columndecoder)曾逗攆m僚位元其中的一修，被逗攆的位元之感鷹放大器透遇資料輸出入(I/O)輿翰出入路速接，然彳及根摞控制路的指令迤行資料取或K入。其中，輸出入路是由輸出放大器、輸出主放大器和資料輸入器等路所橫成。根摞以上的介貂DRAM的基本架橫包括：.排列成二次元障列的言己憾罩元。,感鷹放大器。.位址彳薊器(行/列)及位址解礁器(行和列)。輸出放大器、輸出主放大器和輸入器等輸出入路?？刂坡返取６Y料的傅翰路郎是藉由字元位元資料輸出入(I/O)等路迤行停遮。e e.甯子段源闞DESIGNDESIGN+M 噂k k言已

4、情罩元制廊軍元的基本結(jié)情自4KDRAM之彳爰，DRAM言已情罩元的結(jié)情便是由一他重晶ft和一他重容所情成。雖隹然彳爰提出一些新的DRAM言已情罩元結(jié)情,但是不盆T元件數(shù)目或是路數(shù)目方面，都比1偃1重晶ft+1(T1容的結(jié)東隹，因此即使64256MDRAM仍使用道槿結(jié)情的言已，情罩元。橫成一位元的言己情罩元必須具有下列部份:儲存資料的重容敬勤言己情罩元的字元由言己，憾罩元i#ir資料的位元因此1重晶醴+1重容型的言己驚罩元是具有上述三偃I部份的最曾罩結(jié)橫。其等效路如圃ft大部分是n通道MOS的重晶ft(nMOS),情成重容的雨偃I霜趣中施加霜屋的雷趣耦卷存黑占(storagenode)。言已情罩

5、元中的MOS雷;晶11又特別耦卷醇移(transfergate),道槿言己情罩元的主要特徵卷:,因懸元件和路的數(shù)目少，所以言己驚罩元所估的面稹很小，可以容易地逵到高集稹度。由於言己情罩元本身沒有放大功能，卷了偵測位元上的微小言/虢，因此必須額外具有感鷹放大器。 0f,儲存在重容中的雷荷曾消失，因此1取之彳及必須迤行再癮人的勤作。儲存在重容中的雷荷曾因卷漏雷流而逐漸消失，因此必須遇期性地迤行再嘉入(refresh)的勤作典型1MBDRAM所用的twinwellCMOS,三)1多晶矽(polysilicon)和一富裂程所形成1重晶ft+1霜容的言己情罩元霜t如H2(b)及圜2(c)所示，道槿言已情

6、軍元的結(jié)平面型言已情罩元，H2(b)是六偃I言已情罩元的平面圜，H2(c)即是平面圜中A-A直三二二二7 7加*人仙高，,出5啊履矚翳bOtfbOtf“MQSDRAMMQSDRAM的暗HIHI2(a)所示，目前情成言已情罩元中所用的重晶cellplate,另一遏用來儲存資料的霜趣即耦莉量叁三行位址*上恒飄械，RARA知施H H型和中】口*盤呼塞rmill，1010小斤門心以(刎付地端事器的橫截面。言已情罩元中，是由第一）1多晶矽（polyl）橫成雷:容的cellplate、第二眉多晶矽（poly口）橫成字元上n通道MOS的醇移儲存的資料是以重荷的形式儲存在重容中，資料的11|即是藉由第三;1多

7、晶矽（polym）所形成的位元來控制。了降低polyHI所形成的位元阻，有畤位元的材料曾使用高熔黑占金腐的矽化物和多晶矽所形成的二眉結(jié)橫。字元是由poly口和重疊的所橫成，或i控制poly口和之的隔使其醇通，字元的雷阻越小，H既H虢傅翰的速度越快。施力在cellplate上的霜1/2雷源甯屋（Vcc/2）o雖隹然H2（a）言己驚罩元的等效路非常曾罩，但是如果要提高DRAM的集稹度加降低成本，必法不斷地提昇言己憧罩元的裂程技秫??；因此，完成言已情罩元的裂程技秫亍H彝之彳爰，黑乎便完成了DRAM裂程H彝的70%80%工作。平面-1-1哲的禺I I/嶂I IH2（b）平面圜（省略AI富心1wan*t

8、-容盥的肥慢無言己隨軍元的基本勤作言已驚軍元的基本勤作可分懸儲存資料、嘉入資料及nt取資料三槿。nMOS的水廛模型DRAM的言己情罩元是由MOS雷晶ft和雷容所情成，雷晶ft的主要功能就如同控制重荷戢I入重容，或是由重容中I#出，重容的主要目的即是存取重荷。卷了曾軍明起言已情罩元中的nMOS相常於水廛的水咒用來控制水的迤出，1t存在重容中的霜子相常於水廛中的水，而雷:子的雷:位即相富於水位的高低。H3(a)是nMOS的等效路，H3(b)是橫截面鼠H3(c)(g)是源趣(source)、(gate)下方和汲趣的雷;子雷;位，富源趣雷;位(VS)和汲趣重位(VD)分別;0V和5V畤，由於重子帶K霜

9、因此在5V端的重子位能反而較低；根摞上述的水廛模型，可以符源趣視懸水位較高，而汲趣水位較低的雨偃I水源。HMWVG0V畤，如圜3(c)的位能比源趣高出VTH,因此重子瓢法由源趣流到汲趣，就好像水(霜子)被水咒(趣)截斷而瓢法流勤。常施加正重屋於畤，下方的霜子霜位K始降低，常位降到輿源趣重位相等畤，如圃3(d)霜子K始可以由源趣流向汲趣，使位輿源趣霜位相等的外加甯屋VG定羲nMOS的陶界霜屋(VTH)。因此，始增加畤就如同水咒!始打襄水由高水位(源趣)流到低水位(汲趣)的情形一檄。H3(e)和(f)WVG滿足0三VG-VTH三VD的僚件畤， 下方的重位介於源趣霜位和汲趣重位之此畤如同水咒半!的情

10、形， 因此水(霜子)可以由源趣流到汲趣。H3(g)是VG滿足VG-VTH=VD的僚件畤，道畤由於位輿汲趣霜位相等，如同水咒全!的情形，如果VG迤一步增加使得VG-VTH三VD日寺，三趣管IM域。如上述，nMOS的就如同水咒一檬，可以藉由外加重屋的大小，控制霜子由高霜位的源趣流到低重位的汲趣。言已廊罩元的水池模型言已情罩元中nMOS的工作原理可用前述的水廛模型來明，而重容即可以用圜4的水池模型來明。重容可視卷是用來儲存霜子（水）的水池，位元01肝目常水池的水道，字元用來控制水廛的水咒（霜晶）。以下利用上述的水池模型來明言小情罩元的資料儲存、資料癮入和資料1取三偃I基本SM乍（雷源ittVcc=5

11、V）o儲存資料資料儲存的情形如圜5所示，常水m0f（字元0V）,水池中的水瓢法流出水池，外面的水也瓢法流入，1t存在水池中的水位雉持不燮，因此能逵到儲存資料的功能，水池中水位的高低可以用來表示二迤位的0或1。由於重子帶Jtig因此虞於正重位的霜子霜位較低，所以重位;0V畤相常於水池漏水位的高水位狀可用來代表二迤位的0（L）o1T1位;5V畤，相常於水池中沒有水的低水位狀可用來代表二迤位的1（H）o常水咒居昌朗，水道（位元）的水位封於水池波有影警，霜容霜位可以雉持不曾受到改建，因此可以用來儲存資料。資料K人言已驚軍元的勤作資料嘉入言已情罩元的SM乍如圜6所示，可分篇打入0的情形和癮入1”的情形雨

12、槿，H6（a）入0的情形，H6（b）即；：g入1的情形。井殍0癮人言日憾罩元中的川!序如下：t1:根摞之前的資料，水池可能懸滿或空的狀熊。t2:符水道水位上升到全滿，相常於低霜位狀H（重位;0V）ot3:然彳爰利用字元控制 （字元6V）符水咒打由於水道水位全滿;高水位狀因此水道中的水曾流入水池符水池填滿， 使水池成;高水位 （低重位狀H0）O1T除的操作網(wǎng)!序也可先打K水力之彳及，再提昇水道中水位迤行K入的勤作。井各1癮人言日憾罩元中的川!序如下：tl：根摞之前的資料，水池可能懸滿或空的狀熊。t2:符水道的水位下降到空的狀熊，相常於高霜位狀熊（霜位懸5V）oif.W斯星，廣吟的疆*而治就物t3

13、:然彳爰利用字元控制（字元6V）符水咒打由於水道水位全空;低水位狀因此水池中的水曾流到水道，使水池全空成卷低水位（高重位狀H1）O癮入1的K序最好遵照上述t2和t3的K序，如果:g入1,Vcc=5V的重位畤，水咒必須全!到輿水道的水位相等，因此字元的H重位必須高於Vcc+VTH（VTH卷晶ft的陶界重屋），造槿情形耦；字元昇屋。由圜6（a）可知，嘉入0畤不需要字元昇屋，但是癮入1畤，如果字元的H重位只有Vcc而水池原本;滿水位畤，即使水咒打由水道流走，最彳爰仍曾剩下VTH部份水位的水殘留，瓢法水池的水完全流光。此畤嘉入1的重位減少了VTH只有Vcc-VTH因此，字元昇屋是DRAM的重要路技彳桿

14、。水池爭聊相些於于f*4Tf*4T -4ie愜蒙元的水衣模型水水FlFl言已情罩元的I#取SM乍由言已情罩元中取資料的SM乍如圜7,圜中所介貂的是1MDRAM以彳爰所使用的位元（1/2）Vcc51充重技秫亍，圜7（a）取0的勤作，H7（b）皆#取1的SM乍。取勤作IB!入步驟東隹，由於水道（位元）的重容量CB（CB=250300fF）大於水池（霜容）的容量（Cs=3040fF），且水道中的水量比水池的水多，因此打!水咒H取資料畤，很容易彝生水由水道倒灌水池的垣象。取0畤的川反序如下:t1:水池水位全滿（霜位0V）,水道的水位先51在2.5Vot2:打!水咒（字元6V）,水池的水流到水道，由於水

15、池中的水量很小，因此只能造成水道的水位微幅上升；常水咒打!之彳爰，水道中的重位曾建成2.3V左右。水位的燮化|*5/2II%=7；丁因此，常感鷹放大器偵測到水道的水位生40的燮化畤，便可以辨別出水池中的資料卷0”,取1畤的川反序如下:水池水道水池忒渡寓人呼出嘉人T Tt1:水池水位全空（霜位5V）,水道的水位先在2.5Vot2:打!水咒（字元6V）,水道的水流到水池，使得水道的水位下降，水道重位建成2.7V左右水位的燮化因此，常感鷹放大器偵測到水道的水位生1的燮化畤，便可以辨別出水池中的資料卷1g)g)ifif取*廣門配便單元的3131職岫柞言己憾罩元的I#取重屋DRAM言已情罩元的基本結(jié)橫是

16、由1重晶ft+1重容所情成，言已情罩元的等效重路如圜8。如上述，DRAM由言己情罩元I#取瓷料畤，主要是藉由位元的重屋燮化感鷹放大器辨別言己驚罩元中儲存0或1的軒電短I#取資料畤所需要的I#取重屋，可以由言日憾罩元的等效U路求出。假言小情軍元的重容量Cs,位元的floating重容量;CB。富嘉入1或0到言己情罩元畤，儲存黑占的重位VSN篇Vcc或是0;Cellplate的重位;VCP,位元的重位;VBL,所以Cs和CB儲存的重荷量和;如果位元隹持floatingMH,傅移on的狀H畤(字元WL的重位曾大於VBL+VTH),儲存黑占和位元的重位;VSN=VBL,重荷量的和;(2)取畤的位元位的

17、燮化;AVBL日寺，根摞式(1)和(2):由上式可知4VBL輿cellplate的雷:位VCPIO也。常位元的51充重霜位VBL=Vcc畤,A嗑=0BLBL(3)(4),如果位元的Jg充霜重位VBL=(1/2)Vcc畤y y/2囁8)=產(chǎn)1+5y y/7%.(0)二一一安(5)】十*位元的U位燮化如H8所示。1T除上DRAM工作畤，位元位燮化尚未完全結(jié)束，感鷹放大器便已始辨別言孔虢1M,因此感鷹放大器判別的軒序!HWT除上啟:：由於感鷹放大器除判別的虢HIM是位元未改建完全的1M,因此必須乘上禱僭彳系數(shù)TT, ,TT由式(6)可知，CB/CS的值法定言/虢霜屋4VBL的大小，CB/CS的值越小

18、畤，位元的WTW10左右；因此，感鷹放大器可辨別的甯HVBL=200mVo由於感雁放大器所能辨別的言/虢甯H卷DRAM的言己情罩元必須具有放大功能的感鷹放大器路。一般在0.60.9的靶圉之內(nèi)。VBL越小，通常CB/CS的值/勺;200mV,了偵測微小IO短%八，心 8 8正元的US1/感放大器感鷹放大器的特性要求感鷹放大器主要是用來辨別位元言孔虢的燮化，以判別言己驚罩元中所儲存的資料，因此感鷹放大器必須具借下列特性：,可以偵測微小的重屋差。工作速度快。工作重屋的SE圉大。,消耗重力小。,面稹小。隨著DRAM的容量的增加和元件的縮小，速帶地必法提昇感鷹放大器的性能才能雉持元件的正常建作。如果是1

19、重晶ft+1重容型的言己情罩元畤，常打!字元取儲存的1或0資料畤，根摞式(5)位元位差;字元ISWL)付充現(xiàn)法L)i)ri)rM MvtTa商(1/2(1/2匕TJB充電V值相富於感朦放大器的輸入1M,懸了增加感鷹放大器的輸入重屋大小，所以必須儒量降低CB/CS的比值。但是，常言已情容量增加使得DRAM的位元數(shù)增加畤，曾增加位元容CB使得W的值減少。而且隨著10宿小，雷源ittVcc也燮小，所以JT除上的W值曾越來越小，因此如果要提高DRAM的容量，需要可以辨別最小輸入重屋的感鷹放大器。此外，感鷹放大器的窺敏度輿第2要求的工作速度特性有信心一般而言，如果速度增加畤，感鷹放大器的窺敏度曾燮差。第

20、3、4、5HI的特性輿裂程技彳桿和雷路tg言十有信心常位元數(shù)增加畤，感鷹放大器的數(shù)目也曾增加，了降低消耗功率，必須改用勤熊型路而非定重流的tgth而懸了減少感鷹放大器的估有面稹，必須儒量探用曾軍的路言十懸了路的穩(wěn)定性著想，感鷹放大器不能封重源重屋的改建太謾敏感，因此感鷹放大器所要求的性能曾隨著越殿苛。不謾即使感鷹放大器的消耗功率小、元件面稹小、工作穩(wěn)定，但是由於感鷹放大器的窺敏度太差，仍然瓢法逵到1T用化的程度。因此封於翰入H屋小的大容量DRAM言已驚醴，感鷹放大器的敏窺敏度符是最重要的性能。感鷹放大器的基本路自1MBDRAM之彳爰所彝展的DRAM元件，都揉用CMOS的技秫亍，因此感鷹放大器的

21、基本路也改用CMOS元件來tgth由於CMOS雷晶ft的良好特性，因此以CMOS元件所橫成的感鷹放大器在消耗功率和東隹方面，都掩得大幅的改善。在言/虢取方面，甚至迤一步配合位元的1/2VCC51充霜的方式，目前DRAM以CMOS感鷹放大器和(1/2)Vcc主流。H9是感鷹放大器的基本路。雨修平行配置的位元輿一偃I感鷹放大器速接，每偃I位元都輿多偃I言已，憾罩元建接128偃I速接)，相萍的言己驚罩元即輿不同的字元速接，道槿言己驚罩元典位元之的速接方式結(jié)橫耦折曲位元方式。所橫成，n通道的flip-flop由感鷹放大器的SANH勤蒯敵勤、p通道的flip-flop即由感鷹放大器的SAPH勤蒯故勤。每

22、偃I位元另外典位元等位重路、親隹言也去除罩元及(ReverseWordLine)控制。書惠麴放大B B的蔓本FSFS感鷹放大器的勤作H9中的感鷹放大器在1T除操作畤，其工作畤J版之的信期系如圃感鷹放大器的SM乍是由施加在DRAM的行位址IFB(RAS)所控制，常RASWH重位電DRAM待檄刪i;RASWL重位電(元件數(shù)目少的路)。DRAM容量的增加而越來(一僚位元典(foldedbitline)此外，也有在感鷹放大器的左右甬遏配置位元的!放位元方式(openbitline)。感鷹放大器是由平衡型flip-flop的CMOS路I/O速接，親隹言也去除軍元的結(jié)情輿言己憾罩元相同，其醇移由反向字元N

23、C及向字幾蝗I.BLEQI.BLEQI I- -IIdIId上字元融w5IIIJLWBLWLi解疆眼融CD,CD,出入(uon(uon10所示。等位ms夫聊砒事兀那族大劫VOVO位元麒HLHLFT1SAP2SAP2而I-a一黑放大罌*a 疇祜Sft大DRAM在畤t0畤，RAS；H重位，DRAM慮於待檄狀熊，由於字元0V,BLEQ(位元等位言虢)；H重位，所以各位元(1/2)Vcc重位的51充重狀憨，而SAN和SAP也都雉持(1/2)Vcc重位的狀憨。常畤t1畤，BLEQ建成L重位，各位元隹持(1/2)Vcc重位建成floating4犬!i!。畤t2畤，行解礁器依摞外部所系合予的行位址，逗攆一修

24、字元(例如WL0),被逗攆的字元由於字元昇屋的結(jié)果，因此其大於Vcc。典被逗攆字元速接的言己情罩元中的霜子可由位元寸的一端(BL端)I#出。假言己情罩元言已情中儲存的資料;001,根摞式(5),BL的重屋改建;A0,造畤BL的重屋仍雉持;(1/2)Vcc。在畤t3t4的期由於SAN重屋逐漸降低而改勤n通道感鷹放大器，放大BL和BL之的重位差。在本例中，雖隹然BL的重位曾逐漸下降，但是BL的重位黑乎雉持不燮。在畤t5t6期隨著BL和BL之的重位差燮大，SAN迅速,燮篇0V,SAP建成Vcc而改勤p通道感鷹放大器。使得BL放雷成0V,BL充重成Vcc而完成感鷹SM乍。常感雁SM乍完成之彳爰也完成符

25、言已情罩元中原本儲存的資料重新嘉入言已情罩元的SM乍。造偃I重新嘉入儲存言小情罩元資料的SM乍耦；重H(refresh),封於DRAM而言是非常重要的SM乍。在感鷹SM乍結(jié)束之彳爰，由資料輸出端I#取資料畤，列解礁器打!外部所申俞入列位址所封鷹的I/O(nMOS,Q7、Q8),藉由I/OI/O取資料。如果是由資料輸入端K入資料日寺，郎是藉由I/OI/O弓全行反醇感鷹放大器符言日憾罩元中儲存的資料改K。在畤t7畤，由於已完成I#取或K入的JM乍，字元始下降，言己驚罩元雉持保持狀憨。在畤t8畤，！!始？下偃I循璟，BLEQ燮;H,符位元寸(BL、BL)短路使位元成;等重位(1/2)Vcc重位。同畤

26、SAP和SAN也建成(1/2)Vcc雷:位。以上是感鷹放大器的基本工作畤月底。至於圜9感雁放大器的基本路中，反向字元(NC0、NC1)的控制方式如下：常沒有逗攆任何字元畤，NC0、NC1都是H的狀熊，假在圜10的t2畤逗攆字元WL0,輿WL0速接的言已情罩元和同一位元速接的余隹言/取消罩元分離隹，所以NC0建成L的狀而NC1即保持H的狀H。常日寺t7畤，WL0建成L而NC0即1燮回H,適檬控制的目的在於平衡每偃I感鷹放大器所速接的位元寸的雷容，以及移MOS雷晶ft的源趣和汲容輿字元位元的偶合東隹言/互相抵金肖。r/BLWBLW_JJ：bVbV1111I*I*、工_rWL*WL*1 1i iTFTF1 1Ff,Ff,史-Ai-Aiw/w/1I.11I.11 1zsvuvzsvuv1 11 11 11 11 1!上.w.w阜*,一fVifVii.i.口1 11-11-1L L1 1j jr r1 1tlrrfttlrrftW-W-SJKSJKISVISV*i*i1 1,門1 11 11 11N1N，4V4Vj.j.I I，N-N-/ /：ovovrxrx；25V25V1 11 11 1；15V15VJ J；：!: :1 11 1：；：；J JIJVIJVJ J: :r r1 11 1iiiii iEVEV 1 11 11 11 111r r內(nèi)!1!1|1|1a