數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第07章

1、第七章 半導(dǎo)體存儲器第七章 半導(dǎo)體存儲器7.1 概述能存儲大量二值信息的器件一、一般結(jié)構(gòu)形式1 單元數(shù)龐大2 輸入/輸出引腳數(shù)目有限二、分類1、從存/取功能分：只讀存儲器(Read-Only-Memory）隨機(jī)讀/寫（Random-Access-Memory）2、從工藝分：雙極型MOS型)()()(多次修改可擦除的可編程只能修改一次可編程不能修改掩模EPROMROMROMRAMRAM動態(tài)靜態(tài)7.2 ROM7.2.1 掩模ROM一、結(jié)構(gòu)二、舉例地 址數(shù) 據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110A0An-1W0W(2n-1)D0Dm交點(diǎn)有二極管表示存1，沒有表示存

2、0。輸出信號表達(dá)式輸出信號表達(dá)式與門陣列輸出表達(dá)式：與門陣列輸出表達(dá)式：或門陣列輸出表達(dá)式：或門陣列輸出表達(dá)式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 100WWD311WWD3202WWWD313WWD兩個(gè)概念： 存儲矩陣的每個(gè)交叉點(diǎn)是一個(gè)“存儲單元”，存儲單元中有器件存入“1”，無器件存入“0” 存儲器的容量：“字?jǐn)?shù) 位數(shù)”掩模ROM的特點(diǎn)：出廠時(shí)已經(jīng)固定，不能更改，適合大量生產(chǎn)簡單，便宜，非易失性7.2.2 可編程ROM（PROM）總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，但存儲單元不同寫是一次性編程，不能改*0)的熔斷編程時(shí)將不用(有出廠時(shí)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)上都熔絲由易熔合金制成存為7.2.2

3、 可編程ROM（PROM）總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，但存儲單元不同AW：寫入放大器：寫入放大器AR：讀出放大器：讀出放大器寫入時(shí)，要使用編程器。字線（D）接編程脈沖（20V），DZ導(dǎo)通，AW輸出低，輸出低電平，使熔絲熔斷。 讀出時(shí)，AR輸出的高電平不足以使DZ導(dǎo)通。7.2.3 可擦除的可編程ROM（EPROM）總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，但存儲單元不同 EPROM E2PROM一、用紫外線擦除的PROM（UVEPROM）管疊柵注入MOSMOSInjuctiongateStackedSIMOS)(浮置柵控制柵:fcGG通處正常邏輯高電平下導(dǎo)上未充負(fù)電荷，則若導(dǎo)通處正常邏輯高電平下不上充以負(fù)電荷，則

4、若工作原理：cfcfGGGG年）光燈下分鐘（陽光下一周，熒紫外線照射空穴對，提供泄放通道生電子“擦除”：通過照射產(chǎn)形成注入電荷到達(dá)吸引高速電子穿過寬的正脈沖，上加同時(shí)在發(fā)生雪崩擊穿）間加高壓（“寫入”：雪崩注入33020,50,25,2520,2fcGSiOmsVGVSD輸入地址的輸入地址的高高4位（位（A7A4）加到加到行地址譯碼器行地址譯碼器上，從上，從16行存儲單元中選出要讀行存儲單元中選出要讀的一行。的一行。輸入地址的輸入地址的低低4位（位（A3A0）加到加到列地址譯碼器列地址譯碼器上，再上，再從選中的一行存儲單元中從選中的一行存儲單元中選出要讀的一位。選出要讀的一位。SIMOS管二、

5、電可擦除的可編程ROM（E2PROM）總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，但存儲單元不同)(管浮柵隧道氧化層采用點(diǎn)擦除慢，操作不便的缺為克服MOSFLOTOXUVEPROM“隧道效應(yīng)”電子會穿越隧道）當(dāng)場強(qiáng)達(dá)到一定大?。ê穸戎g有小的隧道區(qū)，與,/cmVmSiODGf78210102N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型控制珊控制珊浮置珊浮置珊浮置珊與漏區(qū)之間有浮置珊與漏區(qū)之間有一個(gè)極薄的氧化層一個(gè)極薄的氧化層選通管選通管(N管管)，提高擦、，提高擦、寫可靠性并保護(hù)隧道寫可靠性并保護(hù)隧道區(qū)的超薄氧化層區(qū)的超薄氧化層存儲管存儲管導(dǎo)通）下，電壓（未充電荷時(shí)，正常讀出截止）下，電壓（充電荷后，正常讀出工作原理：1133TVG

6、TVGGCCffjCiGBmsVGW電子通過隧道區(qū)接的正脈沖，加充電：010,20,上電荷經(jīng)隧道區(qū)放電加正脈沖，接放電：fjiCGBWG,0讀出狀態(tài)擦除（寫1）狀態(tài)寫入（寫0）狀態(tài)三、快閃存儲器（Flash Memory）為提高集成度，省去T2（選通管）改用疊柵MOS管（類似SIMOS管）（隧道區(qū)）區(qū)有極小的重疊區(qū)與）更?。ㄅc襯底間SGnmOSGfif15102的正脈沖，加接），加正壓（，充電利用雪崩注入方式向工作原理：usVGVVSDGcssf101206*上電荷經(jīng)隧道區(qū)放電的正脈沖加放電，利用隧道效應(yīng)fsscfGnsVVGG100120,浮置珊與襯底浮置珊與襯底之間有一個(gè)極之間有一個(gè)極薄的

7、氧化層薄的氧化層快閃存儲器快閃存儲器存儲單元存儲單元7.3 隨機(jī)存儲器RAM7.3.1 靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）一、結(jié)構(gòu)與工作原理10244位位RAM 2114結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖行號行號列號列號A9一種簡單的讀/寫控制電路&GGGCSR/W3451GDDI/OG2當(dāng)選片信號當(dāng)選片信號CS1時(shí)，時(shí)，G5、G4輸出為輸出為0，三態(tài)門，三態(tài)門G1、G2、G3均處于高均處于高阻狀態(tài)，輸入阻狀態(tài)，輸入/輸出（輸出（I / O）端與存儲器內(nèi)部完全隔離，存儲器禁止）端與存儲器內(nèi)部完全隔離，存儲器禁止讀讀/寫操作，即不工作；寫操作，即不工作；當(dāng)當(dāng)CS0時(shí)，時(shí)，芯片被選通：芯片被選通：當(dāng)當(dāng) 1時(shí)，時(shí)，G5輸出高

8、電平，輸出高電平，G3被打開，于是被選中的單元所存儲被打開，于是被選中的單元所存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在I / O端，存儲器執(zhí)行端，存儲器執(zhí)行讀操作讀操作；WR/當(dāng)當(dāng) 0時(shí)，時(shí)，G4輸出高電平，輸出高電平，G1、G2被打開，此時(shí)加在被打開，此時(shí)加在I / O端的數(shù)端的數(shù)據(jù)以互補(bǔ)的形式出現(xiàn)在內(nèi)部數(shù)據(jù)線上，存儲器執(zhí)行據(jù)以互補(bǔ)的形式出現(xiàn)在內(nèi)部數(shù)據(jù)線上，存儲器執(zhí)行寫操作寫操作。WR/二、SRAM的存儲單元六管N溝道增強(qiáng)型MOS管T1、T2構(gòu)成反相器構(gòu)成反相器T3、T4構(gòu)成另一反相器構(gòu)成另一反相器T1T4構(gòu)成構(gòu)成RS鎖存器。鎖存器。T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T3截止為截止為0狀態(tài)狀態(tài)，T3導(dǎo)通、導(dǎo)通、T1截止為

9、截止為1狀態(tài)狀態(tài)。 只有當(dāng)存儲單元所在只有當(dāng)存儲單元所在的行、列對應(yīng)的的行、列對應(yīng)的Xi、Yi線均為線均為1時(shí)，該單元時(shí)，該單元才與數(shù)據(jù)線接通，才才與數(shù)據(jù)線接通，才能對它進(jìn)行讀或?qū)懀軐λM(jìn)行讀或?qū)?，這種情況稱為這種情況稱為選中狀選中狀態(tài)態(tài)。 存儲單元所在的行和列同存儲單元所在的行和列同時(shí)被選中后，時(shí)被選中后，Xi=1，Yj=1，T5T8均導(dǎo)通。均導(dǎo)通。Q和和Bj相連，相連， 和和 相連。相連。QjB如如 0、 1，則，則A1通，通，A2和和A3截止，截止，Q經(jīng)經(jīng)A送送到到I/O端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出讀出。CS/WR如如 1、 0，則，則A1截止，截止，A2和和A3通，通，I/O上的上的數(shù)據(jù)

10、數(shù)據(jù)寫入寫入存儲單元。存儲單元。CS/WR7.3.2* 動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）動態(tài)存儲單元是利用MOS管柵極電容可以存儲電荷的原理四管、三管動態(tài)四管、三管動態(tài)MOS存儲單元：外圍控制電路簡單，讀出信存儲單元：外圍控制電路簡單，讀出信號較大，但存儲電路本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于集成化。號較大，但存儲電路本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于集成化。單管動態(tài)單管動態(tài)MOS存儲單元：外圍控制電路較復(fù)雜，但存儲電路存儲單元：外圍控制電路較復(fù)雜，但存儲電路本身結(jié)構(gòu)簡單，有利于集成化，目前廣為應(yīng)用。本身結(jié)構(gòu)簡單，有利于集成化，目前廣為應(yīng)用。7.4 存儲器容量的擴(kuò)展7.4.1 位擴(kuò)展方式位擴(kuò)展方式適用于每片RAM,ROM字

11、數(shù)夠用而位數(shù)不夠時(shí)接法：將各片的地址線、讀寫線、片選線并聯(lián)即可7.4.2 字?jǐn)U展方式適用于每片RAM,ROM位數(shù)夠用而字?jǐn)?shù)不夠時(shí)SCWRAAOIOI片選信號：寫信號：讀地址線：數(shù)據(jù)線：/70701024 x 8RAM70OIOI.9870AAAA,.WRWRAAAAOIOI寫信號：讀地址線：數(shù)據(jù)線：/987070,):(110025625670A個(gè)地址個(gè)字，需要每一片提供SCYYAAAA分別接四片的譯成即將兩位代碼區(qū)分四片用,308989102376876751251125625501110010007070707,AAAAAAAA四片的地址分配就是：000111011011101101111

12、11089AA4321SCSCSCSC1110010029292929AAAAAAAA,四片的地址分配就是：00011101101110110111111001AA4321SCSCSCSC另一種實(shí)現(xiàn)方法01AA932AAA例例2已知 44 位RAM如圖所示。將他們擴(kuò)展為88 位RAM。求需要幾片44 位RAM(1) 畫出電路圖7.5 用存儲器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)一、基本原理從ROM的數(shù)據(jù)表可見：若以地址線為輸入變量，則數(shù)據(jù)線即為一組關(guān)于地址變量的邏輯函數(shù)地 址數(shù) 據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110A0An-1W0W(2n-1)字線字線位線位線三態(tài)門三態(tài)門每個(gè)

13、輸出代碼每個(gè)輸出代碼稱為一個(gè)稱為一個(gè)“字字”二、舉例1. 用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)八段字符顯示的譯碼器ABCDDCBAYDCBADABCYBCDADBCDCBAYCBABCAY4321),(),(),(),(15214414107676324321mYmYmYmY2. 用ROM產(chǎn)生如下一組多輸出邏輯函數(shù)ROM點(diǎn)陣圖點(diǎn)陣圖例 試用ROM構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)函數(shù)y=x2的運(yùn)算表電路，x的取值范圍為015的正整數(shù)。 解：解：(1) 分析要求、設(shè)定變量分析要求、設(shè)定變量自變量自變量x的取值范圍為的取值范圍為015的正整數(shù)，對應(yīng)的的正整數(shù)，對應(yīng)的4位二進(jìn)制正位二進(jìn)制正整數(shù)，整數(shù)，用用B=B3B2B1B0表示。根據(jù)表示。根

14、據(jù)y=x2的運(yùn)算關(guān)系，可求出的運(yùn)算關(guān)系，可求出y的最大的最大值是值是152225，可以用，可以用8位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。 (2) 列真值表列真值表函數(shù)運(yùn)算表函數(shù)運(yùn)算表B3 B2 B1 B0 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 十進(jìn)制數(shù) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 4 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 9 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 16 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0

15、1 25 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 36 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 49 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 64 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 81 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 100 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 121 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 144 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 169 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 196 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 225(3) 寫標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式寫標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式

16、Y7=m12+m13+m14+m15Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y3=m3+m5+m11+m13Y2=m2+m6+m10+m14Y1=0Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15(4) 畫ROM存儲矩陣節(jié)點(diǎn)連接圖為做圖方便，可將ROM矩陣中的二極管用節(jié)點(diǎn)表示。 BBBBWWWWWWWWWWWWWWWWYYYYYYYY00011122233344556677891011121314151111(陣 列儲 門矩 陣存 或(器 列(地譯 門碼 陣(址 與0(m ) (m

17、)1(m )15常用ROM和RAM舉例1234567891011121314151617181920212223246116765432112AAAAAAADD00ADVAAWEOECSDDDDDADD891076543GNDAAAAAAAAAAA012345678910AA1112OOOOO0O12O345O6722321242534567898kB8276410VPP127PGM(PGM)VCCVIH20CSOECSOE221112131415161718地址輸入數(shù)據(jù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)28腳雙列直插腳雙列直插EPROM 2764 2K8位靜態(tài)位靜態(tài)CMOS RAM 6116 本章小結(jié)1半導(dǎo)體存

18、儲器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)特別是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重半導(dǎo)體存儲器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)特別是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部件，它可分為要組成部件，它可分為RAM和和ROM兩大類，絕大多數(shù)屬兩大類，絕大多數(shù)屬于于MOS工藝制成的大規(guī)模數(shù)字集成電路。工藝制成的大規(guī)模數(shù)字集成電路。 2RAM是一種時(shí)序邏輯電路，具有記憶功能。其它存儲的是一種時(shí)序邏輯電路，具有記憶功能。其它存儲的數(shù)據(jù)隨電源斷電而消失，因此是一種易失性的讀寫存儲器。數(shù)據(jù)隨電源斷電而消失，因此是一種易失性的讀寫存儲器。它包含有它包含有SRAM和和DRAM兩種類型，前者用觸發(fā)器記憶數(shù)據(jù)，兩種類型，前者用觸發(fā)器記憶數(shù)據(jù)，后者靠后者靠MOS管柵極電容存儲數(shù)據(jù)。因此，在不停電的情況下，管柵極電容存儲數(shù)據(jù)。因此，在不停電的情況下，SRAM的數(shù)據(jù)可以長久保持，而的數(shù)據(jù)可以長久保持，而DRAM則必需定期刷新。則必需定期刷新。 3ROM是一種非易失性的存儲器，它存儲的是固定數(shù)據(jù)，是一種非易失性的存儲器，它存儲的是固定數(shù)據(jù)，一般只能被讀出。根據(jù)數(shù)據(jù)寫入方式的不同，一般只能被讀出。根據(jù)數(shù)據(jù)寫入方式的不同，ROM又可又可分成固定分成固定ROM和可編程和可編程ROM。后者又可細(xì)分為。后者又可細(xì)分為PROM、EPROM、E2PROM和快閃存儲器等，特別是和快閃存儲器等，特別是E2ROM和快和快閃存儲器可以進(jìn)行電擦寫，已兼有了閃存儲器可以進(jìn)行電擦寫，已兼有了RAM的特性。的