第八章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

第8章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器8.1概述8.2只讀存儲(chǔ)器8.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器8.1概述

數(shù)字系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)大量二進(jìn)制信息的器件是存儲(chǔ)器。穿孔卡片→紙帶→磁芯存儲(chǔ)器→半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長等。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的能夠存儲(chǔ)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(chǔ)部件。6.1概述

8.1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類

分成TTL和MOS存儲(chǔ)器兩大類。TTL型速度快，MOS型工藝簡單、集成度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)。按制造工藝不同分類：8.1概述

按存儲(chǔ)信號的原理不同：分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器兩種。8.1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類靜態(tài)存儲(chǔ)器是以觸發(fā)器為基本單元來存儲(chǔ)0和1的，在不失電的情況下，觸發(fā)器狀態(tài)不會(huì)改變；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器是用電容存儲(chǔ)電荷的效應(yīng)來存儲(chǔ)二值信號的。電容漏電會(huì)導(dǎo)致信息丟失，因此要求定時(shí)對電容進(jìn)行充電或放電。稱為刷新。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器都為MOS型。按工作特點(diǎn)不同：分成只讀存儲(chǔ)器（Read-OnlyMemory，簡稱ROM）和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，簡稱RAM）。8.1概述

8.1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類如圖所示。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主要是用作微型計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存儲(chǔ)器，用于存放系統(tǒng)中的程序和數(shù)據(jù)。此外，也可用來構(gòu)成組合邏輯電路。

8.1.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)

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存儲(chǔ)容量和存取時(shí)間。1、存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)叫存儲(chǔ)容量，即存放二進(jìn)制信息的多少。存儲(chǔ)器中二值代碼都是以字的形式出現(xiàn)的。一個(gè)字的位數(shù)稱做字長。例如，16位構(gòu)成一個(gè)字，該字的字長為16位。一個(gè)存儲(chǔ)單元只能存放一位二值代碼，要存儲(chǔ)字長為16的一個(gè)字，就需要16個(gè)存儲(chǔ)單元。若存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)1024個(gè)字，就得有1024×16個(gè)存儲(chǔ)單元。通常，存儲(chǔ)容量應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)×位數(shù)。例如，某存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)1024個(gè)字，每個(gè)字4位，那它的存儲(chǔ)容量就為1024×4=4096，即該存儲(chǔ)器有4096個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器寫入（存）或者讀出（取）時(shí)，每次只能寫入或讀出一個(gè)字。若字長為8位，每次必須選中8個(gè)存儲(chǔ)單元。選中哪些存儲(chǔ)單元，由地址譯碼器的輸出來決定。即由地址碼來決定。地址碼的位數(shù)n與字?jǐn)?shù)之間存在2n=字?jǐn)?shù)的關(guān)系。如果某存儲(chǔ)器有十個(gè)地址輸入端，那它就能存210=1024個(gè)字。2、存取周期

連續(xù)兩次讀（寫）操作間隔的最短時(shí)間稱為存取周期。（2）一次性可編程ROM（PROM）。出廠時(shí)，存儲(chǔ)內(nèi)容全為1（或全為0），用戶可根據(jù)自己的需要編程，但只能編程一次。8.2只讀存儲(chǔ)器(ROM)

一．ROM的分類按照數(shù)據(jù)寫入方式特點(diǎn)不同，ROM可分為以下幾種：（1）固定ROM。廠家把數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中，用戶無法進(jìn)行任何修改。（3）光可擦除可編程ROM（EPROM）。采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程存儲(chǔ)器。其內(nèi)容可通過紫外線照射而被擦除，可多次編程。（5）快閃存儲(chǔ)器（FlashMemory）。也是采用浮柵型MOS管，存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入是分開進(jìn)行的，數(shù)據(jù)寫入方式與EPROM相同，一般一只芯片可以擦除/寫入100次以上。（4）電可擦除可編程ROM（E2PROM）。也是采用浮柵技術(shù)生產(chǎn)的可編程ROM，但是構(gòu)成其存儲(chǔ)單元的是隧道MOS管，是用電擦除，并且擦除的速度要快的多（一般為毫秒數(shù)量級）。E2PROM的電擦除過程就是改寫過程，它具有ROM的非易失性，又具備類似RAM的功能，可以隨時(shí)改寫（可重復(fù)擦寫1萬次以上）。8.2

只讀存儲(chǔ)器（ROM）1.固定ROM

只讀存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)的內(nèi)容一般是固定不變的，正常工作時(shí)只能讀數(shù)，不能寫入，并且在斷電后不丟失其中存儲(chǔ)的內(nèi)容，故稱為只讀存儲(chǔ)器。ROM組成：地址譯碼器存儲(chǔ)矩陣輸出電路ROM結(jié)構(gòu)方框圖

地址譯碼器有n個(gè)輸入端，有2n個(gè)輸出信息，每個(gè)輸出信息對應(yīng)一個(gè)信息單元，而每個(gè)單元存放一個(gè)字，共有2n個(gè)字（W0、W1、…W2n-1稱為字線）。

每個(gè)字有m位，每位對應(yīng)從D0、D1、…Dm-1輸出（稱為位線）。

存儲(chǔ)器的容量是2n×m(字線×位線)。

ROM中的存儲(chǔ)體可以由二極管、三極管和MOS管來實(shí)現(xiàn)。8.2

只讀存儲(chǔ)器（ROM）1.固定ROM二極管ROM

字的讀出方法

在對應(yīng)的存儲(chǔ)單元內(nèi)存入的是1還是0，是由接入或不接入相應(yīng)的二極管來決定的。存儲(chǔ)矩陣為了便于表達(dá)和設(shè)計(jì)，通常將圖6-5簡化如圖6-7所示。4×4ROM陣列圖

有存儲(chǔ)單元地址譯碼器二極管ROM

在編程前，存儲(chǔ)矩陣中的全部存儲(chǔ)單元的熔絲都是連通的，即每個(gè)單元存儲(chǔ)的都是1。用戶可根據(jù)需要，借助一定的編程工具，將某些存儲(chǔ)單元上的熔絲用大電流燒斷，該單元存儲(chǔ)的內(nèi)容就變?yōu)?，此過程稱為編程。熔絲燒斷后不能再接上，故PROM只能進(jìn)行一次編程。2．可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）

PROM的可編程存儲(chǔ)單元3．可擦可編程ROM（EPROM）

最早出現(xiàn)的是用紫外線照射擦除的EPROM。浮置柵MOS管（簡稱FAMOS管）的柵極被SiO2絕緣層隔離，呈浮置狀態(tài)，故稱浮置柵。

當(dāng)浮置柵帶負(fù)電荷時(shí)，F(xiàn)AMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，源極－漏極可看成短路，所存信息是0。

若浮置柵上不帶有電荷，則FAMOS管截止，源極－漏極間可視為開路，所存信息是1。

浮置柵EPROM(a)浮置柵MOS管的結(jié)構(gòu)

(b)EPROM存儲(chǔ)單元帶負(fù)電-導(dǎo)通-存0不帶電-截止-存1浮置柵EPROM出廠時(shí)，所有存儲(chǔ)單元的FAMOS管浮置柵都不帶電荷，F(xiàn)AMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。寫入信息時(shí)，在對應(yīng)單元的漏極與襯底之間加足夠高的反向電壓，使漏極與襯底之間的PN結(jié)產(chǎn)生擊穿，雪崩擊穿產(chǎn)生的高能電子堆積在浮置柵上，使FAMOS管導(dǎo)通。當(dāng)去掉外加反向電壓后，由于浮置柵上的電子沒有放電回路能長期保存下來，在的環(huán)境溫度下，７０％以上的電荷能保存１０年以上。如果用紫外線照射FAMOS管１０～３０分鐘，浮置柵上積累的電子形成光電流而泄放，使導(dǎo)電溝道消失，F(xiàn)AMOS管又恢復(fù)為截止?fàn)顟B(tài)。為便于擦除，芯片的封裝外殼裝有透明的石英蓋板。圖(a)Flotox管結(jié)構(gòu)及符號圖(b)Flotox管存儲(chǔ)單元采用了一種叫做Flotox（FloatinggateＴunnelOxide）的浮柵隧道氧化層的MOS管，簡稱Flotox管。Flotox管與SIMOS管相似,它也屬于N溝道增強(qiáng)型的MOS管,并且有兩個(gè)柵極一一控制柵Gc和浮置柵Gf，其結(jié)構(gòu)及符號如圖所示。4、E2PROMFlotox管的浮置柵與漏區(qū)之間有一個(gè)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(shí),便在漏區(qū)和浮置柵之間出現(xiàn)導(dǎo)電隧道,電子可以雙向通過,形成電流。這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。為了提高擦、寫的可靠性,并保護(hù)隧道區(qū)超薄氧化層,在E2PROM的存儲(chǔ)單元中除Ｆlotox管以外還附加了一個(gè)選通管,如圖(b),T2為普通的N溝道增強(qiáng)型MOS管(也稱選通管)。根據(jù)浮置柵上是否充有負(fù)電荷來區(qū)分單元的1或0狀態(tài)。由于存儲(chǔ)單元用了兩只MOS管。限制了E2PROM集成度的提高。快閃存儲(chǔ)器吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠的優(yōu)點(diǎn),又保留了E2ROM用隧道效應(yīng)擦除的快捷特性,而且集成度可以作得很高。下圖是快閃存儲(chǔ)器采用的疊柵MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號。5．快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)圖快閃存儲(chǔ)器中的MOS管浮置柵一源區(qū)間的電容要比浮置柵一控制柵間的電容小得多。當(dāng)控制柵和源極間加上電壓時(shí),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(chǔ)器的存儲(chǔ)單元就是用這樣一只單管組成的,如圖所示。圖快閃存儲(chǔ)器中的MOS單元電路5．快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)快閃存儲(chǔ)器糅合了PROM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)品的集成度在逐年提高,目前,快閃存儲(chǔ)器已經(jīng)成為較大容量磁性存儲(chǔ)器(例如PC機(jī)中的軟磁盤和硬磁盤等)的替代產(chǎn)品。5．快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)二極管固定ROM舉例（1）電路組成：由二極管與門和或門構(gòu)成。與門陣列組成譯碼器，或門陣列構(gòu)成存儲(chǔ)陣列。（2）輸出信號表達(dá)式與門陣列輸出表達(dá)式：（3）ROM存儲(chǔ)內(nèi)容的真值表或門陣列輸出表達(dá)式：1.作函數(shù)運(yùn)算表電路【例7.2—1】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0～15的正整數(shù)。ROM的應(yīng)用【解】（1）分析要求、設(shè)定變量自變量x的取值范圍為0～15的正整數(shù)，對應(yīng)的4位二進(jìn)制正整數(shù)，用B=B3B2B1B0表示。根據(jù)y=x2的運(yùn)算關(guān)系，可求出y的最大值是152＝225，可以用8位二進(jìn)制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。（2）列真值表—函數(shù)運(yùn)算表Y7=m12+m13+m14+m15（3）寫標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式Y(jié)4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1=0Y2=m2+m6+m10+m14(4)畫ROM存儲(chǔ)矩陣結(jié)點(diǎn)連接圖為做圖方便，我們將ROM矩陣中的二極管用節(jié)點(diǎn)表示。Y0=m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15【解】

（1）寫出各函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式：按A、B、C、D順序排列變量，將Y1、Y2、Y4擴(kuò)展成為四變量邏輯函數(shù)。2.實(shí)現(xiàn)任意組合邏輯函數(shù)【例7.2—2】試用ROM實(shí)現(xiàn)下列函數(shù)：（2）選用16×4位ROM，畫存儲(chǔ)矩陣連線圖：8.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器又叫隨機(jī)讀/寫存儲(chǔ)器，簡稱RAM，指的是可以從任意選定的單元讀出數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫入任意選定的存儲(chǔ)單元。

優(yōu)點(diǎn)：讀寫方便，使用靈活。

缺點(diǎn)：掉電丟失信息。

分類：

SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）

DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）

由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器、讀寫控制器、輸入/輸出控制、片選控制等幾部分組成。8.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）8.３.１RAM的基本結(jié)構(gòu)片選及輸入/輸出控制電路當(dāng)選片信號CS＝1時(shí)，G5、G4輸出為0，三態(tài)門G1、G2、G3均處于高阻狀態(tài)，輸入/輸出（I/O）端與存儲(chǔ)器內(nèi)部完全隔離，存儲(chǔ)器禁止讀/寫操作，即不工作；當(dāng)CS＝0時(shí)，芯片被選通：當(dāng)＝1時(shí)，G5輸出高電平，G3被打開，于是被選中的單元所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在I/O端，存儲(chǔ)器執(zhí)行讀操作；當(dāng)＝0時(shí)，G4輸出高電平，G1、G2被打開，此時(shí)加在I/O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(chǔ)器執(zhí)行寫操作。六MOS管組成存儲(chǔ)單元圖六管NMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元8.3.２靜態(tài)RAMT1、T2、T3、T4基本RS觸發(fā)器，T5、T6為門控管，當(dāng)Xi為1時(shí)，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)Xi為0時(shí)，T5、T6截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。T7、T8門控管，當(dāng)Yj=1時(shí)，T7、T8導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接通；Yj=0時(shí)，位線與數(shù)據(jù)線斷開。T7、T8是數(shù)據(jù)存入或讀出存儲(chǔ)內(nèi)容的控制通道。

T1、T2、T3、T4基本RS觸發(fā)器，T5、T6為門控管，當(dāng)Xi為1時(shí)，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)Xi為0時(shí)，T5、T6截止，觸發(fā)器輸出與位線斷開。T7、T8門控管，當(dāng)Yj=1時(shí)，T7、T8導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接通；Yj=0時(shí)，位線與數(shù)據(jù)線斷開。T7、T8是數(shù)據(jù)存入或讀出存儲(chǔ)內(nèi)容的控制通道。8.３.３動(dòng)態(tài)RAM動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM的區(qū)別在于：信息的存儲(chǔ)單元是由門控管和電容組成。用電容上是否存儲(chǔ)電荷表示存1或存0。為防止因電荷泄漏而丟失信息，需要周期性地對這種存儲(chǔ)器的內(nèi)容進(jìn)行重寫，稱為刷新。動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元電路主要是三管和單管結(jié)構(gòu)。右圖是單管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元電路，由門控管T和CS構(gòu)成。寫入信息時(shí)，字線為高電平，T導(dǎo)通，對電容CS充電，相當(dāng)于寫入1信息。讀出信息時(shí)，字線仍為高電平，T導(dǎo)通CS上信號電壓VS經(jīng)過T對C0提供電荷，CS上的電荷將在CS、C0上重新分配，讀出電壓VR為：１.單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元單管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器因?yàn)镃0>>CS，所以讀出電壓比VS小得多，而且每讀一次，CS上電荷要少很多，造成破壞性讀出。所以通常要求將讀出的數(shù)據(jù)重新寫入原單元。１.單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元單管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器單管電路的結(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，因而外圍控制電路比較復(fù)雜。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元的電路結(jié)構(gòu)比靜態(tài)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)簡單，所以可達(dá)到很高的集成度。但不如靜態(tài)存儲(chǔ)器使用方便，速度也比靜態(tài)存儲(chǔ)器慢得多。１.單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元

２.三管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元三管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元如所示。T2為存儲(chǔ)管，T3為讀門控管，T1為寫門控管，T4為同一列公用的預(yù)充電管。代碼以電荷的形式存儲(chǔ)在T2管的柵極電容C中，C上的電壓控制T2管的狀態(tài)。讀出數(shù)據(jù)：輸入預(yù)充電脈沖，T4通，CD充電到VDD，讀數(shù)據(jù)線置1。讀選擇線置1，若C上原來有電荷，T2、T3通，CD放電，數(shù)據(jù)線輸出0。若C上沒電荷，T2止，CD無放電回路，讀數(shù)據(jù)線為1，相當(dāng)反碼輸出。經(jīng)讀放大器放大并反相后輸出即為讀出數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)：令寫選擇線為高電平，T1導(dǎo)通，當(dāng)寫入1時(shí)，數(shù)據(jù)線為高電平，通過T1對C充電，1信號便存到C上。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，存儲(chǔ)單元與外圍電路的連線也較多。8.3.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量：字?jǐn)?shù)×位數(shù)

將多片存儲(chǔ)器經(jīng)適當(dāng)?shù)倪B接，組成位數(shù)增多、字?jǐn)?shù)不變的存儲(chǔ)器。⑴位擴(kuò)展（即字長擴(kuò)展）：①多個(gè)單片RAM的I/O端并行輸出。②多個(gè)R