數(shù)字第7章半導(dǎo)體存儲器-課件

1、第七章 半導(dǎo)體存儲器第七章 半導(dǎo)體存儲器第七章 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(或稱為二值的數(shù)據(jù))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)的工作過程中，都需要對大量的數(shù)據(jù)進行存儲。因此，存儲器也就成了這些數(shù)字系統(tǒng)不可缺少的組成部分。7.1 概述第七章 半導(dǎo)體存儲器 半導(dǎo)體存儲器是一種能存儲 由于計算機處理的數(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指標。目前動態(tài)存儲器的容量已達109位片。一些高速隨機存儲器的存取時間僅 10ns 左右。 由于計算機處理的數(shù)據(jù)量越來越大，運算速度

2、越來 因為半導(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，所以在電路結(jié)構(gòu)上就不可能像寄存器那樣把每個存儲單元的輸入和輸出直接引出。 為了解決這個矛盾，在存儲器中給每個存儲單元編了一個地址，只有被輸入地址代碼指定的那些存儲單元才能與公共的輸入輸出引腳接通，進行數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭搿?因為半導(dǎo)體存儲器的存儲單元數(shù)目極其龐大而器件豐富多彩的數(shù)據(jù)存儲器豐富多彩的數(shù)據(jù)存儲器SIM卡SIM卡數(shù)碼相機用的MS記憶棒數(shù)碼相機用的MS記憶棒數(shù)字第7章半導(dǎo)體存儲器-課件使用FLASH Memory 的電子盤（U盤）使用FLASH Memory 的電子盤（U盤）MP3播放器MP3播放器PC機主板PC機主板內(nèi)存插

3、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，首先從存、取功能上可以分為只讀存儲器 ( Read-Only Memory，簡稱 ROM )和隨機存儲器( Random Access Memory，簡稱 RAM ) 兩大類。 半導(dǎo)體存儲器的種類很多，首先從存、取功能上可7.2 只讀存儲器 ROM 只讀存儲器在正常工作狀態(tài)下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地隨時修改或重新寫入數(shù)據(jù)。 ROM的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，而且在斷電以后數(shù)據(jù)不會丟失。它的缺點是只適用于存儲那些固定數(shù)據(jù)的場合。 只讀存儲器中又有掩模ROM、可編程ROM ( Programmable Read-Only Memory，簡稱PROM )

4、和可擦除的可編程 ROM ( Erasable Programmable ReadOnly Memory，簡稱EPROM）幾種不同類型。7.2 只讀存儲器 ROM 只讀存儲器在正常圖7.2.1 ROM的電路結(jié)構(gòu)框圖7.2.1 掩膜只讀存儲器圖7.2.1 ROM的電路結(jié)構(gòu)框圖7.2.1 掩膜只讀00圖7.2.2 二極管ROM的電路結(jié)構(gòu)圖01101101100110000圖7.2.2 二極管ROM的電路結(jié)構(gòu)圖01101存儲矩陣011010000110010二極管反偏不通接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲 0存儲矩陣011010000110010二極管反偏不通接二極管存儲矩陣11010100接二極管

5、的位置存儲 1 ,不接存儲 0存儲矩陣11010100接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲 存儲矩陣00100010接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲 0存儲矩陣00100010接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲 存儲矩陣10110001接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲 0存儲矩陣10110001接二極管的位置存儲 1 ,不接存儲 譯碼矩陣001110001000譯碼矩陣001110001000譯碼矩陣0110110000011譯碼矩陣011011000001100圖7.2.2 二極管ROM的電路結(jié)構(gòu)圖0110110110001100010110000圖7.2.2 二極管ROM的電路結(jié)構(gòu)圖01

6、101144位存儲器 數(shù)據(jù)表44位存儲器 數(shù)據(jù)表圖7.2.3 用MOS管構(gòu)成的存儲矩陣100圖7.2.3 用MOS管構(gòu)成的存儲矩陣1007.2.2 可編程只讀存儲器（PROM） 在開發(fā)數(shù)字電路新產(chǎn)品的工作過程中，設(shè)計人員經(jīng)常需要按照自己的設(shè)想迅速得到存有所需內(nèi)容的ROM。這時可以通過將所需內(nèi)容自行寫入PROM而得到要求的ROM。 PROM的總體結(jié)構(gòu)與掩模ROM一樣，同樣由存儲矩陣、地址譯碼器和輸出電路組成。不過在出廠時已經(jīng)在存儲矩陣的所有交叉點上全部制作了存儲元件，即相當于在所有存儲單元中都存人了1。7.2.2 可編程只讀存儲器（PROM） 在開圖7.2.4 熔絲型PROM的存儲單元返回圖7.

7、2.4 熔絲型PROM的存儲單元返回圖7.2.5 PROM管的結(jié)構(gòu)原理圖圖7.2.5 PROM管的結(jié)構(gòu)原理圖7.2.3 可擦除的可編程只讀存儲器一、EPROM ( UVEPROM ) 由于可擦除的可編程ROM(EPROM)中存儲的數(shù)據(jù)可以擦除重寫，因而在需要經(jīng)常修改ROM中內(nèi)容的場合它便成為一種比較理想的器件。 最早研究成功并投入使用的EPROM是用紫外線照射進行擦除的；并被稱之為EPROM。因此，現(xiàn)在一提到EPROM就是指的這種用紫外線擦除的可編程ROM ( Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory，簡稱；UVEPROM)。 7.

8、2.3 可擦除的可編程只讀存儲器一、EPROM ( U 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E2PROM)。后來又研制成功的快閃存儲器(Flash Memory)也是一種用電信號擦除的可編程 ROM。 不久又出現(xiàn)了用電信號可擦除的可編程ROM (一、EPROM( UVPROM) EPROM與前面已經(jīng)講過的PROM在總體結(jié)構(gòu)形式上沒有多大區(qū)別，只是采用了不同的存儲單元。 早期EPROM的存儲單元中使用了浮柵雪崩注入MOS管(Floating-gate Avalanche-Injuc

9、tion Metal-Oxide-Semiconductor，簡稱FAMOS管)，它的結(jié)構(gòu)示意圖和符號如圖 7.2.6所示。 一、EPROM( UVPROM) EPROM與圖7.2.6 FAMOS管的結(jié)構(gòu)和符號圖7.2.6 FAMOS管的結(jié)構(gòu)和符號 FAMOS管本身是一個P溝道增強型的MOS管，但柵極“浮置”于SiO2層內(nèi)，與其他部分均不相連，處于完全絕緣的狀態(tài)。如果在它的漏極和源極之間加上比正常工作電壓高得多的負電壓 (通常為45V左右)，則可使漏極與襯底之間的PN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P+區(qū)向外射出，其中速度最快的一部分電子穿過SiO2層而到達浮置

10、柵，被浮置柵俘獲而形成柵極存儲電荷。這個過程就叫做雪崩注入。 FAMOS管本身是一個P溝道增強型的MOS管 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，所以能長久保存下來。在 + 125的環(huán)境溫度下，70以上的電荷能保存10年以上。在柵極獲得足夠的電荷以后，漏源間便形成導(dǎo)電溝道，使FAMOS管導(dǎo)通。 漏極和源極間的高電壓去掉以后，由于注入到柵極 如果用紫外線或X射線照射FAMOS管的柵極氧化層，則SiO2層中將產(chǎn)生電子空穴對，為浮置柵上的電荷提供泄放通道，使之放電。待柵極上的電荷消失以后，導(dǎo)電溝道也隨之消失，F(xiàn)AMOS管恢復(fù)為截止狀態(tài)。這個過程稱為擦除。擦除時

11、間約需2030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)以后應(yīng)使用不透明的膠帶將石英蓋板遮蔽，以防止數(shù)據(jù)丟失。 如果用紫外線或X射線照射FAMOS管的柵極氧圖7.2.7 使用FAMOS管的存儲單元圖7.2.7 使用FAMOS管的存儲單元圖7.2.8 SIMOS管的結(jié)構(gòu)和符號返回圖7.2.8 SIMOS管的結(jié)構(gòu)和符號返回圖7.2.9 使用SIMOS管的256 1位EPROM返回圖7.2.9 使用SIMOS管的256 1位EPR圖7.2.10 Flotox管的結(jié)構(gòu)和符號返回圖7.2.10 Flotox管的結(jié)構(gòu)和符號返回圖7.2.11 E2 PROM的存儲單元返回圖7.2.11

12、 E2 PROM的存儲單元返回圖7.2.12 E2 PROM存儲單元的三種工作狀態(tài)（a）讀出狀態(tài) （b）擦除（寫1）狀態(tài) （c）寫入（寫0）狀態(tài)返回圖7.2.12 E2 PROM存儲單元的三種工作狀態(tài)（圖7.2.13 快閃存儲器中的疊柵MOS管返回圖7.2.13 快閃存儲器中的疊柵MOS管返回圖7.2.14 快閃存儲器的存儲單元返回圖7.2.14 快閃存儲器的存儲單元返回7.3 隨機存儲器（RAM）圖7.3.1 SRAM的結(jié)構(gòu)框圖圖7.3.2 1024x4位RAM（2114）的結(jié)構(gòu)框圖圖7.3.3 六管NMOS靜態(tài)存儲單元圖7.3.4 六管CMOS靜態(tài)存儲單元圖7.3.5 雙極型RAM 的靜態(tài)

13、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的總體結(jié)構(gòu)框圖返回7.3 隨機存儲器（RAM）圖7.3.1 SRAM的圖7.3.1 SRAM的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.3.1 SRAM的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.3.2 1024 4位RAM（2114）的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.3.2 1024 4位RAM（2114）的結(jié)圖7.3.3 六管NMOS靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.3 六管NMOS靜態(tài)存儲單元

14、返回圖7.3.4 六管CMOS靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.4 六管CMOS靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.5 雙極型RAM 的靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.5 雙極型RAM 的靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.6 四管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.6 四管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.7 三管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.7 三管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.8 單管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.8 單管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.9 DRAM中的靈敏恢復(fù)/讀出放大器返回圖7.3.9 DRAM中的靈敏恢復(fù)/讀出放大器返回圖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

15、的情況返回圖7.3.10 靈敏恢復(fù)/讀出放大器的讀出過程 圖7.3.11 DRAM的總體結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.3.11 DRAM的總體結(jié)構(gòu)框圖返回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的字擴展接法返回7.4 存儲器容量的擴展圖7.4.1 RAM的位擴展接法返圖7.4.1 RAM的位擴展接法返回圖7.4.1 RAM的位擴展接法返回圖7.4.2 RAM的字擴展接法返回圖7.4.2 RAM的字擴展接法返回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點陣圖返回7.5 用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)圖7.5.1 例7.5.

16、1圖7.5.1 例7.5.1的電路返回圖7.5.1 例7.5.1的電路返回圖7.5.2 例7.5.2的ROM點陣圖返回圖7.5.2 例7.5.2的ROM點陣圖返回7.6 串行存儲器圖7.6.1 用靜態(tài)移位寄存器組成的串行存儲器圖7.6.2 后進先出型串行存儲器的結(jié)構(gòu)框圖圖7.6.3 串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的先進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移位寄存單元（a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形圖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移位寄存單元（a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形圖7.6.8 改進的兩相無比型動態(tài)MOS移位寄存單元（ a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形圖7.6.9 動態(tài)CMOS移位寄存單元（ a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形返回7.6 串行存儲器圖7.6.1 用靜態(tài)移位寄存器組成的圖7.6.1 用靜態(tài)移位寄存器組成的串行存儲器返回圖7.6.1 用靜態(tài)移位寄存器組成的串行存儲器返回圖7.6.2 后進先出型串行存儲器的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.6.2 后進先出型串行存儲器的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.6.3 串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的先進先出型串行存儲器返回圖7.6.3 串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的先進先出型串行存儲器返回圖7.6.4 有比型動態(tài)MOS反相器返回圖7.6.4 有比型動態(tài)MOS反相器返回圖7.6.5 兩相有比型動態(tài)MOS移位寄存單元（a）電路結(jié)構(gòu)（