第6章半導(dǎo)體存儲器

1、2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院1第第6章章 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器 半導(dǎo)體存儲器是一種由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的能半導(dǎo)體存儲器是一種由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的能夠存儲數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果、操作指令的邏輯部夠存儲數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果、操作指令的邏輯部件。用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存及數(shù)字系統(tǒng)存儲部件。件。用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存及數(shù)字系統(tǒng)存儲部件。6.1 概述概述6.2 只讀存儲器只讀存儲器6.3 隨機(jī)存取存儲器隨機(jī)存取存儲器 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院2分成分成TTL和和MOS存儲器兩大類。存儲器兩大類。TTL型速度快，型速度快，MOS型工藝簡單、集成度高、功耗低、成本低等型工藝簡單、集成度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)。特點(diǎn)。 按

2、存儲信號的原理不同按存儲信號的原理不同：分為靜態(tài)存儲器和動態(tài)存儲器兩種。分為靜態(tài)存儲器和動態(tài)存儲器兩種。6.1 概述概述 6.1.1 半導(dǎo)體存儲器的特點(diǎn)及分類半導(dǎo)體存儲器的特點(diǎn)及分類按制造工藝不同分類：按制造工藝不同分類：2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院3靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器是以觸發(fā)器為基本單元來存儲是以觸發(fā)器為基本單元來存儲0和和1的，的，在不失電的情況下，觸發(fā)器狀態(tài)不會改變；在不失電的情況下，觸發(fā)器狀態(tài)不會改變；動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器是用電容存儲電荷的效應(yīng)來存儲二值信是用電容存儲電荷的效應(yīng)來存儲二值信號的。電容漏電會導(dǎo)致信息丟失，因此要求定時對號的。電容漏電會導(dǎo)致信息丟失，因此要求定時對電

3、容進(jìn)行充電或放電。電容進(jìn)行充電或放電。 稱為刷新。動態(tài)存儲器都稱為刷新。動態(tài)存儲器都為為MOS型。型。按工作特點(diǎn)不同：按工作特點(diǎn)不同：分成只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器。分成只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院4 6.1.2 半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)：半導(dǎo)體存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)：半導(dǎo)體存儲器有兩個主要技術(shù)指標(biāo)：存儲容量半導(dǎo)體存儲器有兩個主要技術(shù)指標(biāo)：存儲容量和存取時間。和存取時間。1、存儲容量：、存儲容量：存儲器中存儲單元個數(shù)叫存儲容量，即存放存儲器中存儲單元個數(shù)叫存儲容量，即存放二進(jìn)制信息的多少。二進(jìn)制信息的多少。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院5存儲器中二值代碼都

4、是以字的形式出現(xiàn)的。一存儲器中二值代碼都是以字的形式出現(xiàn)的。一個字的位數(shù)稱做個字的位數(shù)稱做字長字長。例如，。例如，16位構(gòu)成一個字，位構(gòu)成一個字，該字的字長為該字的字長為16位。一個存儲單元只能存放一位。一個存儲單元只能存放一位二值代碼，要存儲字長為位二值代碼，要存儲字長為16的一個字，就需的一個字，就需要要16個存儲單元。若存儲器能夠存儲個存儲單元。若存儲器能夠存儲1024個字，個字，就得有就得有102416個存儲單元。通常個存儲單元。通常，存儲容量存儲容量應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)乘以位數(shù)。應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)乘以位數(shù)。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院6例如，某存儲器能存儲例如，某存儲器能存儲1024個字個

5、字 ，每個字，每個字4位，位，那它的存儲容量就為那它的存儲容量就為10244=4096，即該存，即該存儲器有儲器有4096個存儲單元。個存儲單元。存儲器寫入（存）或者讀出（?。r，每次存儲器寫入（存）或者讀出（?。r，每次只能寫入或讀出一個字。若字長為只能寫入或讀出一個字。若字長為8位，每次位，每次必須選中必須選中8個存儲單元。選中哪些存儲單元，個存儲單元。選中哪些存儲單元，由地址譯碼器的輸出來決定。即由地址碼來由地址譯碼器的輸出來決定。即由地址碼來決定。決定。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院7地址碼的位數(shù)地址碼的位數(shù)n與字?jǐn)?shù)之間存在與字?jǐn)?shù)之間存在2n=字?jǐn)?shù)的字?jǐn)?shù)的關(guān)系。如果某存儲器有十個地

6、址輸入端，關(guān)系。如果某存儲器有十個地址輸入端，那它就能存那它就能存210=1024個字。個字。 2、存取周期、存取周期連續(xù)兩次讀（寫）操作間隔的最短時間稱連續(xù)兩次讀（寫）操作間隔的最短時間稱為存取周期。為存取周期。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院86.2 只讀存儲器只讀存儲器半導(dǎo)體只讀存儲器半導(dǎo)體只讀存儲器(Read-only Memory,簡稱簡稱ROM)是只能讀不能寫的存儲器。通常用其是只能讀不能寫的存儲器。通常用其存放固定的數(shù)據(jù)和程序，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引存放固定的數(shù)據(jù)和程序，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、函數(shù)表、字符等。導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、函數(shù)表、字符等。只讀存儲器為非易失性存儲器，

7、去掉電源，只讀存儲器為非易失性存儲器，去掉電源，所存信息不會丟失。所存信息不會丟失。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院9ROM按存儲內(nèi)容的寫入方式，可分為固定按存儲內(nèi)容的寫入方式，可分為固定ROM,可編程序只讀存儲器可編程序只讀存儲器，簡稱（簡稱（PROM)和可擦除可編程只讀存儲器和可擦除可編程只讀存儲器(Erasable Programmable Read Only Memory，簡稱簡稱EPROM)。固定固定ROM：在制造時根據(jù)特定的要求做成固在制造時根據(jù)特定的要求做成固定的存儲內(nèi)容，出廠后，用戶無法更改，只定的存儲內(nèi)容，出廠后，用戶無法更改，只能讀出。能讀出。2022-4-29東北大學(xué)信

8、息學(xué)院10PROM：存儲內(nèi)容可以由使用者編制寫入，存儲內(nèi)容可以由使用者編制寫入，但只能寫入一次，一經(jīng)寫入就不能再更改。但只能寫入一次，一經(jīng)寫入就不能再更改。EPROM：存儲內(nèi)容可以改變，但存儲內(nèi)容可以改變，但EPROM所存內(nèi)容的擦去或改寫，需要專門的擦抹器所存內(nèi)容的擦去或改寫，需要專門的擦抹器和編程器實(shí)現(xiàn)。在工作時，也只能讀出。和編程器實(shí)現(xiàn)。在工作時，也只能讀出。E2PROM：可用電擦寫方法擦寫?？捎秒姴翆懛椒ú翆?。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院116.2.1 固定只讀存儲器固定只讀存儲器(ROM) 圖圖6-1 ROM結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖ROM由地址譯由地址譯碼器、存儲矩陣、碼器、存儲矩陣、輸出和

9、控制電路輸出和控制電路組成，如圖組成，如圖6-1所示。所示。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院12圖圖6-2 (44)的的 NMOS固定固定ROM地址譯碼器地址譯碼器存儲矩陣存儲矩陣輸出電路輸出電路字線字線2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院13圖圖6-2是一個是一個44位的位的NMOS固定固定ROM。地址譯碼器：有兩根地址輸入線地址譯碼器：有兩根地址輸入線A1和和A0，共共有有4個地址號，每個地址存放一個個地址號，每個地址存放一個4位二進(jìn)制位二進(jìn)制信息；信息；譯碼器輸出線：譯碼器輸出線：W0、W1、W2、W3稱為字線，稱為字線，由輸入的地址代碼由輸入的地址代碼A1A0確定選中哪條字線。確定選中

10、哪條字線。被選中的數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出緩沖器輸出。被選中的數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出緩沖器輸出。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院14存儲矩陣：是存儲矩陣：是NMOS管的或門陣列。一個字管的或門陣列。一個字有有4位信息，故有四條數(shù)據(jù)線位信息，故有四條數(shù)據(jù)線輸出又稱為位線。它是字輸出又稱為位線。它是字位結(jié)構(gòu)。存儲矩位結(jié)構(gòu)。存儲矩陣實(shí)際上是一個編碼器，工作時編碼內(nèi)容不陣實(shí)際上是一個編碼器，工作時編碼內(nèi)容不變。位線經(jīng)過反相后輸出，即為變。位線經(jīng)過反相后輸出，即為ROM的輸?shù)妮敵龆顺龆薉0、D1、D2、D3。 ,3210DDDD2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院15每根字線和位線的交叉處是一個存儲單元，每根字線和位線的交叉

11、處是一個存儲單元，共有共有16個單元。交叉處有個單元。交叉處有NMOS管的存儲管的存儲單元存儲單元存儲“1”，無，無NMOS管的存儲單元存管的存儲單元存儲儲“0”。例如，當(dāng)?shù)刂?。例如，?dāng)?shù)刂稟1A0=00時，則時，則W0=1（W1、W2、W3均為均為0），此時選中），此時選中0號地址使第一行的兩個號地址使第一行的兩個NMOS管導(dǎo)通，管導(dǎo)通， 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院16經(jīng)輸出電路反相后，經(jīng)輸出電路反相后，輸出輸出D3D2D1D0=0101。因此，選中一個地址，因此，選中一個地址，該行的存儲內(nèi)容輸出。該行的存儲內(nèi)容輸出。四個地址存儲的內(nèi)容四個地址存儲的內(nèi)容如表如表6-1所示。所示。11

12、00D01011D20101D10101D3內(nèi)內(nèi) 容容0 00 11 01 1A1 A0地地 址址表表6-1 ROM中的信息表中的信息表1, 0, 01302DDDD2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院17固定固定ROM的編程是設(shè)計(jì)者根據(jù)要求確定存儲的編程是設(shè)計(jì)者根據(jù)要求確定存儲內(nèi)容，設(shè)計(jì)出存儲矩陣，即哪些交叉點(diǎn)（存內(nèi)容，設(shè)計(jì)出存儲矩陣，即哪些交叉點(diǎn)（存儲單元）的信息為儲單元）的信息為1，哪些為，哪些為0。為。為1的制造的制造管子，為管子，為0的不需制造管子，畫出存儲矩陣的不需制造管子，畫出存儲矩陣編碼圖。通常，存儲矩陣中有管子處，用編碼圖。通常，存儲矩陣中有管子處，用“碼點(diǎn)碼點(diǎn)”表示，由生產(chǎn)廠

13、制作。圖表示，由生產(chǎn)廠制作。圖6-2的存儲的存儲矩陣簡化編碼圖如圖矩陣簡化編碼圖如圖6-3所示。所示。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院18位線與字線之間邏輯位線與字線之間邏輯關(guān)系為：關(guān)系為：D0=W0+W 1D1=W1+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1+W3圖圖6-3 ROM的符號矩陣的符號矩陣2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院19存儲矩陣的輸出和輸入是或的關(guān)系，這種存儲矩陣的輸出和輸入是或的關(guān)系，這種存儲矩陣是或矩陣。地址譯碼器的輸出和存儲矩陣是或矩陣。地址譯碼器的輸出和輸入是與的關(guān)系，輸入是與的關(guān)系，因此因此ROM是一個多輸是一個多輸入變量（地址）和多輸出變量（數(shù)據(jù)）的入變量（地

14、址）和多輸出變量（數(shù)據(jù)）的與或邏輯陣列。與或邏輯陣列。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院20 PROM和和ROM的區(qū)別在于的區(qū)別在于ROM由廠家編程，由廠家編程，PROM由用戶編程。出廠時由用戶編程。出廠時PROM的內(nèi)容全的內(nèi)容全是是0或全是或全是1，使用時，用戶可以根據(jù)需要編，使用時，用戶可以根據(jù)需要編好代碼，寫入好代碼，寫入PROM中。中。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院21圖圖6-4為一種為一種PROM的結(jié)構(gòu)圖，存儲矩陣的存的結(jié)構(gòu)圖，存儲矩陣的存儲單元由雙極型三極管和熔斷絲組成。存儲儲單元由雙極型三極管和熔斷絲組成。存儲容量為容量為328位，存儲矩陣是位，存儲矩陣是32行行8列，出列

15、，出廠時每個發(fā)射極的熔斷絲都是連通的，寫入廠時每個發(fā)射極的熔斷絲都是連通的，寫入時，時，VCC=+12V電源，某位寫入電源，某位寫入1時，該數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)線為線為1，穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管DW擊穿，擊穿，T2導(dǎo)通，讀出時，導(dǎo)通，讀出時，VCC=+5V=低于穩(wěn)壓管的擊穿電壓，低于穩(wěn)壓管的擊穿電壓，T2截止，截止，熔斷絲連通，熔斷絲連通，T1管導(dǎo)通，輸出為管導(dǎo)通，輸出為0；熔斷絲斷；熔斷絲斷開，開，T1截止，讀出截止，讀出1。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院22圖圖6-4 326-4 32字字8 8位熔斷絲結(jié)構(gòu)位熔斷絲結(jié)構(gòu)PROMPROM這種電路存儲內(nèi)這種電路存儲內(nèi)容全部為容全部為0。如果。如果想使某

16、單元改寫為想使某單元改寫為1，需要使熔斷絲，需要使熔斷絲通過大電流，使它通過大電流，使它燒斷。一經(jīng)燒斷，燒斷。一經(jīng)燒斷，再不能恢復(fù)。再不能恢復(fù)。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院23地址譯碼器輸出線為高電平有效，地址譯碼器輸出線為高電平有效，32根字線分別接根字線分別接32行的多發(fā)射極晶體管的基極，地址譯碼受選片信號控行的多發(fā)射極晶體管的基極，地址譯碼受選片信號控制，當(dāng)制，當(dāng)CS=0時，選中該芯片能夠工作，輸入地址有效，時，選中該芯片能夠工作，輸入地址有效，譯碼輸出線中某一根為高電平，選中一個地址。當(dāng)譯碼輸出線中某一根為高電平，選中一個地址。當(dāng)CS=1時，譯碼輸出全部為低電平，此片存儲單元不工

17、時，譯碼輸出全部為低電平，此片存儲單元不工作。作。讀寫控制電路供讀出和寫入之用。在寫入時，讀寫控制電路供讀出和寫入之用。在寫入時，VCC接接+12V電源，某位寫入電源，某位寫入1時，該數(shù)據(jù)線為時，該數(shù)據(jù)線為1，寫入回路中，寫入回路中的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓管DW擊穿，擊穿，T2導(dǎo)通，導(dǎo)通， 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院24選中單元的熔斷絲通過足夠大的電流而燒斷；選中單元的熔斷絲通過足夠大的電流而燒斷；若輸入數(shù)據(jù)為若輸入數(shù)據(jù)為0，寫入電路中相對應(yīng)的，寫入電路中相對應(yīng)的T2管不導(dǎo)管不導(dǎo)通，該位對應(yīng)的熔斷絲仍為連通狀態(tài)，存儲的通，該位對應(yīng)的熔斷絲仍為連通狀態(tài)，存儲的0信息不變。讀出時，信息不變。讀出時，

18、VCC接接+5V電源，低于穩(wěn)壓電源，低于穩(wěn)壓管的擊穿電壓，所有管的擊穿電壓，所有T2管都截止，如被選中的管都截止，如被選中的某位熔斷絲是連通的，某位熔斷絲是連通的，T1管導(dǎo)通，輸出為管導(dǎo)通，輸出為0；如；如果熔斷絲是斷開的，果熔斷絲是斷開的，T1截止，讀出截止，讀出1信號。信號。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院25 6.2.3 可擦可編程只讀存儲器可擦可編程只讀存儲器(EPROM) 可擦除可編程存儲器又可以分為：光可擦除可可擦除可編程存儲器又可以分為：光可擦除可編程存儲器編程存儲器UVEPROM(UltraViolet Ereasable Programmable ReadOnly Memo

19、ry)電可擦除可編程存儲器電可擦除可編程存儲器E2 PROM (Electrical Ereasable Programmable ReadOnly Memory)快閃存儲器快閃存儲器(Flash Memory)等。等。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院26 1 光可擦除可編程存儲器光可擦除可編程存儲器EPROM光可擦除可編程存儲器光可擦除可編程存儲器EPROM(通常簡稱通常簡稱EPROM)是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲器，是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲器，它的存儲單元多采用它的存儲單元多采用N溝道疊柵溝道疊柵M0S管管(Stacked g a t e I n j u c t i o n M

20、 e t a l O x i d e Semiconductor)，簡稱簡稱SIM0S管，其結(jié)構(gòu)及符號管，其結(jié)構(gòu)及符號如圖如圖6-5所示。所示。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院27除控制柵除控制柵Gc外，還有一個浮柵外，還有一個浮柵Gf，Gc用于控制讀出用于控制讀出和寫入，和寫入，Gf用于長期保存注入電荷。用于長期保存注入電荷。 Gf沒有電荷時，沒有電荷時，在在Gc上上加入正常的高電平能夠使漏加入正常的高電平能夠使漏-源之間產(chǎn)生導(dǎo)電源之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，溝道，SIM0S管導(dǎo)通。反之，在浮置柵上注入了負(fù)管導(dǎo)通。反之，在浮置柵上注入了負(fù)電荷以后，必須在控制柵上加入更高的電壓才能抵電荷以后，必須在控

21、制柵上加入更高的電壓才能抵消注入電荷的影響而形成導(dǎo)電溝道，因此在柵極加消注入電荷的影響而形成導(dǎo)電溝道，因此在柵極加上正常的高電平信號時上正常的高電平信號時SIMOS管將不會導(dǎo)通。管將不會導(dǎo)通。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院28圖圖6-5 SIMOS管的結(jié)構(gòu)和符號管的結(jié)構(gòu)和符號2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院29 當(dāng)漏一源間加以較高的電壓當(dāng)漏一源間加以較高的電壓(約約+20+25V)時，將發(fā)生雪時，將發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。如果同時在控崩擊穿現(xiàn)象。如果同時在控制柵上加以高壓脈沖制柵上加以高壓脈沖(幅度幅度約約+25V，寬度約，寬度約50mS)，則，則在柵極電場的作用下，一些在柵極電場的作用下，

22、一些速度較高的電子便穿越速度較高的電子便穿越SiO2層到達(dá)浮置柵，被浮置柵俘層到達(dá)浮置柵，被浮置柵俘獲而形成注入電荷。浮置柵獲而形成注入電荷。浮置柵上注入了電荷的上注入了電荷的SIM0S管，管，相當(dāng)于寫入了相當(dāng)于寫入了1，未注入電，未注入電荷的相當(dāng)于存入了荷的相當(dāng)于存入了0。 當(dāng)移去外加電壓后，浮柵當(dāng)移去外加電壓后，浮柵上的電子沒有放電回路，上的電子沒有放電回路，能夠長期保存。當(dāng)用紫外能夠長期保存。當(dāng)用紫外線或線或X射線照射時，浮柵射線照射時，浮柵上的電子形成光電流而泄上的電子形成光電流而泄放，恢復(fù)寫入前的狀態(tài)。放，恢復(fù)寫入前的狀態(tài)。照射一般需要照射一般需要15到到20 分鐘。分鐘。為便于照射

23、擦除，芯片的為便于照射擦除，芯片的封裝外殼裝有透明的石英封裝外殼裝有透明的石英蓋板。所以蓋板。所以EPROM的寫的寫入和擦除一般需要專用的入和擦除一般需要專用的編程器。不太方便。編程器。不太方便。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院30 2、E2 PROM采用了一種叫做采用了一種叫做Flotox（Floating gateunnel Oxide）的浮柵隧道氧化層的的浮柵隧道氧化層的MOS管，簡稱管，簡稱Flotox管。管。Flotox管與管與SIMOS管相似管相似,它也屬于它也屬于N溝道增強(qiáng)型的溝道增強(qiáng)型的MOS管管,并且有兩個柵極一一控并且有兩個柵極一一控制柵制柵Gc和浮置柵和浮置柵Gf，其結(jié)

24、構(gòu)及符號如圖其結(jié)構(gòu)及符號如圖6-6所所示。示。 圖圖6-6 Flotox管結(jié)構(gòu)及符號管結(jié)構(gòu)及符號圖圖6-7 Flotox管存儲單元管存儲單元2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院31Flotox管的浮置柵與漏區(qū)之間有一個氧化層極薄的隧管的浮置柵與漏區(qū)之間有一個氧化層極薄的隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)的電場強(qiáng)度大到一定程度時道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)的電場強(qiáng)度大到一定程度時,便在漏便在漏區(qū)和浮置柵之間出現(xiàn)導(dǎo)電隧道區(qū)和浮置柵之間出現(xiàn)導(dǎo)電隧道,電子可以雙向通過電子可以雙向通過,形形成電流。這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。成電流。這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。加到控制柵加到控制柵Gc和漏極和漏極D上的電壓是通過浮置柵一漏極上的電壓是通過浮置柵一漏

25、極間的電容和浮置柵一控制柵間的電容分壓加到隧道間的電容和浮置柵一控制柵間的電容分壓加到隧道區(qū)上的。區(qū)上的。 為了使加到隧道區(qū)上的電壓盡量大為了使加到隧道區(qū)上的電壓盡量大,需要盡可能減小需要盡可能減小浮置柵和漏區(qū)間的電容浮置柵和漏區(qū)間的電容,因而要求把隧道區(qū)的面積作因而要求把隧道區(qū)的面積作得非常小。得非常小。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院32為了提高擦、寫的可靠性為了提高擦、寫的可靠性,并保護(hù)隧道區(qū)超薄氧化并保護(hù)隧道區(qū)超薄氧化層層,在在E2PROM的存儲單元中除的存儲單元中除lotox管以外還附管以外還附加了一個選通管加了一個選通管,如圖如圖6-7, T2為普通的為普通的N溝道增強(qiáng)溝道增強(qiáng)型

26、型MOS管管(也稱選通管也稱選通管)。根據(jù)浮置柵上是否充有。根據(jù)浮置柵上是否充有負(fù)電荷來區(qū)分單元的負(fù)電荷來區(qū)分單元的1或或0狀態(tài)。由于存儲單元用狀態(tài)。由于存儲單元用了兩只了兩只MOS管。限制了管。限制了E2PROM集成度的提高。集成度的提高。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院33 3快閃存儲器快閃存儲器(Flash Memory)快閃存儲器吸收了快閃存儲器吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡單、編程可結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠的優(yōu)點(diǎn)靠的優(yōu)點(diǎn),又保留了又保留了PROM用隧道效應(yīng)擦除的用隧道效應(yīng)擦除的快捷特性快捷特性,而且集成度可以作得很高。圖而且集成度可以作得很高。圖6-8是是快閃存儲器采用的疊柵快閃存儲器采用的疊柵

27、MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號。其結(jié)構(gòu)與及符號。其結(jié)構(gòu)與SIMOS管相似管相似,二者區(qū)別在二者區(qū)別在于快閃存儲器中于快閃存儲器中MOS管浮置柵與襯底間氧化管浮置柵與襯底間氧化層的厚度不到層的厚度不到SIMOS管中的一半。管中的一半。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院34圖圖6-8 快閃存儲器中的快閃存儲器中的MOS管及單元電路管及單元電路（a）（b）2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院35而且浮置柵一源區(qū)間的電容要比浮置柵一控而且浮置柵一源區(qū)間的電容要比浮置柵一控制柵間的電容小得多。當(dāng)控制柵和源極間加制柵間的電容小得多。當(dāng)控制柵和源極間加上電壓時上電壓時,大部分電壓都將降在浮置柵與源極

28、大部分電壓都將降在浮置柵與源極之間的電容上?？扉W存儲器的存儲單元就是之間的電容上?？扉W存儲器的存儲單元就是用這樣一只單管組成的用這樣一只單管組成的,如圖如圖6-8（b）所示。所示。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院36快閃存儲器糅合了快閃存儲器糅合了PROM的特點(diǎn)，具有集成的特點(diǎn)，具有集成度高、容量大、成本低和使用方便優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)度高、容量大、成本低和使用方便優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品的集成度在逐年提高品的集成度在逐年提高,有人推測有人推測,在不久的將在不久的將來來,快閃存儲器很可能成為較大容量磁性存儲快閃存儲器很可能成為較大容量磁性存儲器器(例如例如PC機(jī)中的軟磁盤和硬磁盤等機(jī)中的軟磁盤和硬磁盤等)的替代的替

29、代產(chǎn)品。產(chǎn)品。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院37 例例6-1試用試用ROM設(shè)計(jì)一個設(shè)計(jì)一個能實(shí)現(xiàn)函數(shù)能實(shí)現(xiàn)函數(shù)y=x2的運(yùn)算表電的運(yùn)算表電路路,x的取值范圍為的取值范圍為015的正的正整數(shù)。整數(shù)。 解：因?yàn)樽宰兞拷猓阂驗(yàn)樽宰兞縳的取值范的取值范圍為圍為015的正整數(shù)的正整數(shù),所以應(yīng)所以應(yīng)用用 4 位 二 進(jìn) 制 正 整 數(shù)位 二 進(jìn) 制 正 整 數(shù) , 用用B=B3B2B1B0表示表示,而而 y的最大的最大值是值是=225,可以用可以用8位二進(jìn)制位二進(jìn)制數(shù)數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。根據(jù)根據(jù)y=x2的關(guān)系可列出的關(guān)系可列出Y7、 Y6、Y5、Y4、Y3、Y2、Y1、

30、Y0 與與B3、B2、B1、B0之間的關(guān)系之間的關(guān)系如表如表6-2所示。根據(jù)表所示。根據(jù)表6-2可以可以寫出寫出Y的表達(dá)式：的表達(dá)式：Y7=（12，13，14，15）Y6=（8，9，10，11，14，15）Y5=（6，7，10，11，13，15）Y4=（4，5，7，9，11，12）Y3=（3，5，11，13）Y2=（2，6，10，14）Y1=0Y0=（1，3，5，7，9，11，13，15 ）2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院380149162536496481100121144169196225十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)注注0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0

31、1 0 00 0 0 0 1 0 0 10 0 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 00 0 1 1 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 1 0 0 11 1 0 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 1Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0輸輸 出出0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11

32、0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1B3 B2 B1 B0輸輸 入入表表6-2 例例6-1的真值表的真值表2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院39根據(jù)表達(dá)式畫出根據(jù)表達(dá)式畫出ROM存儲點(diǎn)陣如下圖。存儲點(diǎn)陣如下圖。圖圖6-9 例例6-1ROM點(diǎn)陣圖點(diǎn)陣圖2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院406.3 隨機(jī)存取存儲器隨機(jī)存取存儲器 隨機(jī)存取存儲器隨機(jī)存取存儲器RAM（Random Access Memory）可隨時從任一指定地址存入（寫入）可隨時從任一指定地址存入（寫入）或取出（讀出）信息。在計(jì)算機(jī)中，或取出（讀出）信息。在計(jì)算機(jī)中，RAM用用作內(nèi)存儲器和高

33、速緩沖存儲器。作內(nèi)存儲器和高速緩沖存儲器。RAM分為靜分為靜態(tài)態(tài)RAM和動態(tài)和動態(tài)RAM；靜態(tài)；靜態(tài)RAM又分為雙極又分為雙極型和型和MOS型。型。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院41 6.3.1 靜態(tài)靜態(tài)RAM 1、雙極型、雙極型RAM存儲單元存儲單元 圖圖6-10是射極讀寫存儲單元電路，圖中是射極讀寫存儲單元電路，圖中T1、T2為多為多發(fā)射極晶體管，與發(fā)射極晶體管，與R1、R2構(gòu)成觸發(fā)器。一對發(fā)射極構(gòu)成觸發(fā)器。一對發(fā)射極與行地址譯碼器的輸出線（字線與行地址譯碼器的輸出線（字線）Z信號相接；另信號相接；另一對發(fā)射極接到互補(bǔ)的數(shù)據(jù)線（位線）一對發(fā)射極接到互補(bǔ)的數(shù)據(jù)線（位線）D和和D ，再再轉(zhuǎn)

34、接到讀寫電路。轉(zhuǎn)接到讀寫電路。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院42保持狀態(tài)保持狀態(tài) ：Z為低電平為低電平 0.3V, D和和D為為1.5V或或0.7V，狀態(tài)不變。狀態(tài)不變。讀出：讀出：字線為字線為+3V，導(dǎo)導(dǎo)通管發(fā)射極電流從位線通管發(fā)射極電流從位線流出。檢測一根位線上流出。檢測一根位線上是否有電流，可讀出存是否有電流，可讀出存儲單元的狀態(tài)。儲單元的狀態(tài)。圖圖6-10 射極讀寫存儲單元射極讀寫存儲單元數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線DT2T1VCC（33.5V）R2R1數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線D字線字線ZQQ2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院43寫入：寫入：字線為字線為+3V，寫入，寫入1，1信號經(jīng)寫入放大器后給信號經(jīng)寫入放

35、大器后給出出D=1， D =0信號，使信號，使T1止，止，T2通，觸發(fā)器置通，觸發(fā)器置1。2、靜態(tài)、靜態(tài)MOS型型RAM（圖（圖6-11 六六MOS管組成管組成存儲單元）存儲單元） T1、T2、T3、T4基本基本RS觸發(fā)器，觸發(fā)器，T5、T6為門控管，為門控管，當(dāng)當(dāng)Xi為為1時，時，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)Xi為為0時，時，T5、T6截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。T7、T8門控管，當(dāng)門控管，當(dāng)Yj=1時，時，T7、T8導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接通；通；Yj=0時，位線與數(shù)據(jù)線斷開。時，位線與數(shù)據(jù)線斷開。202

36、2-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院44T7、T8是數(shù)據(jù)存入或讀出存儲內(nèi)容的控制通道。是數(shù)據(jù)存入或讀出存儲內(nèi)容的控制通道。 T1、T2、T3、T4基本基本RS觸發(fā)器，觸發(fā)器，T5、T6為門控管，當(dāng)為門控管，當(dāng)Xi為為1時，時，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)Xi為為0時，時，T5、T6截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。T7、T8門控管，當(dāng)門控管，當(dāng)Yj=1時，時，T7、T8導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接通；通；Yj=0時，位線與數(shù)據(jù)線斷開。時，位線與數(shù)據(jù)線斷開。T7、T8是數(shù)據(jù)存入是數(shù)據(jù)存入或讀出存儲內(nèi)容的控制通道?；蜃x出存儲內(nèi)容的

37、控制通道。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院45圖圖6-11 六管六管NMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院46雙極型雙極型RAM的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但功耗大，集成度的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但功耗大，集成度不高，大容量不高，大容量RAM一般都是一般都是MOS型的。存儲單元型的。存儲單元有六管有六管CMOS或六管或六管NMOS組成，如圖組成，如圖6-11所示。所示。T1、T2、T3、T4構(gòu)成基本構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，觸發(fā)器，T5、T6為門為門控管，由行譯碼器輸出控制其導(dǎo)通或截止。當(dāng)控管，由行譯碼器輸出控制其導(dǎo)通或截止。當(dāng)Xi為為1時，時，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)導(dǎo)通

38、，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)Xi 為為0時，時，T5、T6截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院47T7、T8是門控管，由列譯碼器輸出控制其導(dǎo)是門控管，由列譯碼器輸出控制其導(dǎo)通或截止，每一列的位線接若干個存儲單元，通或截止，每一列的位線接若干個存儲單元，通過門控管通過門控管T7、T8和數(shù)據(jù)線相連。當(dāng)和數(shù)據(jù)線相連。當(dāng)Yj=1時，時，T7、T8導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接通；導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接通；Yj=0時，時，位線與數(shù)據(jù)線斷開。位線與數(shù)據(jù)線斷開。T7、T8是數(shù)據(jù)存入或讀是數(shù)據(jù)存入或讀出存儲內(nèi)容的控制通道。出存儲內(nèi)容的控制通道。2022-4-29東北大學(xué)

39、信息學(xué)院48 6.3. 2 動態(tài)動態(tài)RAM 動態(tài)動態(tài)RAM與靜態(tài)與靜態(tài)RAM的區(qū)別在于：信息的存儲的區(qū)別在于：信息的存儲單元是由門控管和電容組成。用電容上是否存儲單元是由門控管和電容組成。用電容上是否存儲電荷表示存電荷表示存1或存或存0。為防止因電荷泄漏而丟失信。為防止因電荷泄漏而丟失信息，需要周期性地對這種存儲器的內(nèi)容進(jìn)行重寫，息，需要周期性地對這種存儲器的內(nèi)容進(jìn)行重寫，稱為刷新。動態(tài)稱為刷新。動態(tài)MOS存儲單元電路主要是三管和存儲單元電路主要是三管和單管結(jié)構(gòu)。單管結(jié)構(gòu)。 2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院49 1.三管動態(tài)存儲單元三管動態(tài)存儲單元 三管動態(tài)三管動態(tài)MOS存儲單元如圖存儲單元

40、如圖6-12所示。所示。T2為存儲為存儲管，管，T3為讀門控管，為讀門控管，T1為寫門控管，為寫門控管，T4為同一列為同一列公用的公用的預(yù)充電管預(yù)充電管。代碼以電荷的形式存儲在。代碼以電荷的形式存儲在T2管管的柵極電容的柵極電容C中，中，C上的電壓控制上的電壓控制T2管的狀態(tài)。管的狀態(tài)。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院50讀出數(shù)據(jù)：讀出數(shù)據(jù)：輸入預(yù)充電脈沖，輸入預(yù)充電脈沖，T4通，通，CD充電到充電到VDD，讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)線置線置1。讀選擇線置。讀選擇線置1 ，若，若C上上原來有電荷，原來有電荷，T2、T3通，通，CD放電，數(shù)據(jù)線輸出放電，數(shù)據(jù)線輸出0。若。若C上上沒電荷，沒電荷，T2止，止，

41、CD無放電回?zé)o放電回路，讀數(shù)據(jù)線為路，讀數(shù)據(jù)線為1，相當(dāng)反碼，相當(dāng)反碼輸出。經(jīng)讀放大器放大并反相輸出。經(jīng)讀放大器放大并反相后輸出即為讀出數(shù)據(jù)。后輸出即為讀出數(shù)據(jù)。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院51寫入數(shù)據(jù)：寫入數(shù)據(jù)：令寫選擇線令寫選擇線為高電平，為高電平，T1導(dǎo)通，當(dāng)寫導(dǎo)通，當(dāng)寫入入1時，數(shù)據(jù)線為高電平，時，數(shù)據(jù)線為高電平，通過通過T1對對C充電，充電，1信號便信號便存到存到C上。上。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院52三管電路的讀、寫選擇線和數(shù)據(jù)線是分開的，刷新三管電路的讀、寫選擇線和數(shù)據(jù)線是分開的，刷新操作需要通過外圍電路控制，所以電路比較復(fù)雜，操作需要通過外圍電路控制，所以電路比較

42、復(fù)雜，存儲單元與外圍電路的連線也較多。存儲單元與外圍電路的連線也較多。圖圖6-13是單管動態(tài)是單管動態(tài)MOS存儲單元電路，由門控管存儲單元電路，由門控管T和和CS構(gòu)成。寫入信息時，字線為高電平，構(gòu)成。寫入信息時，字線為高電平，T導(dǎo)通，導(dǎo)通，對電容對電容CS充電，相當(dāng)于寫入充電，相當(dāng)于寫入1信息。讀出信息時，信息。讀出信息時，字線仍為高電平，字線仍為高電平， T導(dǎo)通導(dǎo)通CS上信號電壓上信號電壓VS經(jīng)過經(jīng)過T對對C0提供電荷，提供電荷，CS上的電荷將在上的電荷將在CS、C0上重新分配，上重新分配，讀出電壓讀出電壓VR為：為：SSSRVCCCV02022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院53因?yàn)橐驗(yàn)镃0CS

43、，所以讀出，所以讀出電壓比電壓比VS小得多，而且每小得多，而且每讀一次，讀一次，CS上電荷要少很上電荷要少很多，造成破壞性讀出。所多，造成破壞性讀出。所以通常要求將讀出的數(shù)據(jù)以通常要求將讀出的數(shù)據(jù)重新寫入原單元。重新寫入原單元。 2.單管動態(tài)存儲單元單管動態(tài)存儲單元2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院54單管電路的結(jié)構(gòu)簡單，但需要使用較靈敏的讀出單管電路的結(jié)構(gòu)簡單，但需要使用較靈敏的讀出放大器，而且每次讀出后必須刷新，因而外圍控放大器，而且每次讀出后必須刷新，因而外圍控制電路比較復(fù)雜。制電路比較復(fù)雜。動態(tài)存儲單元的電路結(jié)構(gòu)比靜態(tài)存儲單元的結(jié)構(gòu)動態(tài)存儲單元的電路結(jié)構(gòu)比靜態(tài)存儲單元的結(jié)構(gòu)簡單，所以可

44、達(dá)到很高的集成度。但不如靜態(tài)存儲簡單，所以可達(dá)到很高的集成度。但不如靜態(tài)存儲器使用方便，速度也比靜態(tài)存儲器慢得多。器使用方便，速度也比靜態(tài)存儲器慢得多。2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院55 6.3.3 集成集成RAM簡介簡介 圖圖6-14是是Intel公司公司的的MOS型靜態(tài)型靜態(tài)2114的結(jié)構(gòu)圖。的結(jié)構(gòu)圖。10244位位RAM?？梢赃x擇可以選擇4位的字位的字1024個。采用個。采用X、Y雙向譯碼方式。雙向譯碼方式。4096個存儲單元排列成個存儲單元排列成64行行64列矩陣，列矩陣，64列中每四列為一組，分別由列中每四列為一組，分別由16根根Y譯碼譯碼輸出線控制。即每一根譯碼輸出線控制存儲矩陣中輸出線控制。即每一根譯碼輸出線控制存儲矩陣中四列的數(shù)據(jù)輸入、輸出通路，讀寫操作在四列的數(shù)據(jù)輸入、輸出通路，讀寫操作在 （讀（讀/寫信號）和寫信號）和 （選片信號）的控制下進(jìn)行。（選片信號）的控制下進(jìn)行。WR/CS2022-4-29東北大學(xué)信息學(xué)院56當(dāng)當(dāng) =0且且 =1時，時，實(shí)現(xiàn)讀出操作，當(dāng)實(shí)現(xiàn)讀出操作，當(dāng) =0且且 =0時執(zhí)行寫時執(zhí)行寫操作。操作。正確使用正確使用2114 RAM的關(guān)鍵是掌握各種信的關(guān)鍵是掌握各種信號的時序關(guān)系。不作號的時序關(guān)系。不作詳細(xì)介紹。詳細(xì)介紹。CSWR/CSWR/圖圖6-14 2114RAM10244位位 存儲器結(jié)構(gòu)圖存儲器結(jié)構(gòu)圖2022-4-