數(shù)字電路第7章2013課件

第七章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器§7.1概述§7.2

只讀存儲(chǔ)器（ROM）§7.3隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）§7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展§7.5用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)學(xué)習(xí)要點(diǎn)：介紹各種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作原理和使用方法只讀存儲(chǔ)器(ROM、PROM、EPROM和快閃存儲(chǔ)器)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM、SRAM）存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展及用存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)組合邏輯電路的概念7.1概述

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是能存儲(chǔ)大量二值信息的半導(dǎo)體器件。從存、取功能上分為衡量存儲(chǔ)器性能的重要指標(biāo)：存儲(chǔ)量和存取速度。只讀存儲(chǔ)器（ROM）優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，斷電后數(shù)據(jù)不丟失缺點(diǎn)：只適用于存儲(chǔ)固定數(shù)據(jù)的場(chǎng)合隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）從制造工藝上分為雙極型MOS型——制作大容量的存儲(chǔ)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(shí)修改或重新寫入數(shù)據(jù)在正常工作狀態(tài)下能隨時(shí)向存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：讀、寫方便，使用靈活。缺點(diǎn)：一旦停電，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將隨之消失。地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D00

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0字線與位線的每個(gè)交叉點(diǎn)都是一個(gè)存儲(chǔ)單元。交點(diǎn)處接有二極管相當(dāng)于存1，沒接二極管時(shí)相當(dāng)于存0。交點(diǎn)的數(shù)目=存儲(chǔ)單元數(shù)，存儲(chǔ)容量=(字?jǐn)?shù))*(位數(shù))用二極管制作的ROM

地址線位線字線用MOS工藝制作的ROM用N溝道增強(qiáng)型MOS管代替二極管。字線與位線的每個(gè)交叉點(diǎn)處接有MOS管相當(dāng)于存1，沒接MOS管時(shí)相當(dāng)于存0。注：接有MOS管的位線由于MOS管導(dǎo)通為低電平，經(jīng)反相緩沖器輸出為高電平。7.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)①熔絲型PROM存儲(chǔ)單元②PN結(jié)擊穿法PROM存儲(chǔ)單元PROM的總體結(jié)構(gòu)與掩膜ROM一樣，只是在出廠時(shí)所有存儲(chǔ)單元都存入1或0。存儲(chǔ)1，熔斷后，存儲(chǔ)0。存儲(chǔ)0，擊穿后，存儲(chǔ)1。

用紫外線照射進(jìn)行擦除的UVEPROM、用電信號(hào)擦除的E2PROM和快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)。一、EPROM(UVEPROM)7.2.3可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)EPROM與PROM的總體結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有多大區(qū)別，EPROM中采用疊柵注入MOS管制作存儲(chǔ)單元。圖7.2.6SIMOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)SIMOS控制柵GC用于控制讀出和寫入。浮置柵Gf用于長(zhǎng)期保存注入電荷。1.浮置柵上未注入電荷以前，在控制柵上加入正常高電平電壓，能夠使漏—源之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，SIMOS導(dǎo)通。2.浮置柵上注入負(fù)電荷以后，必須在控制柵上加入更高電壓才能抵消注入電荷的影響而形成導(dǎo)電溝道，因此在柵極加上正常的高電平信號(hào)時(shí)SIMOS不會(huì)導(dǎo)通。圖7.2.6SIMOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

浮柵上的電荷無放電通路，沒法泄漏。用紫外線照射芯片上的玻璃窗，則形成光電電流，把柵極電子帶回到多晶硅襯底，SIMOS管恢復(fù)到初始的導(dǎo)通狀態(tài)。二、E2PROM

前面研究的可擦寫存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)是要擦除已存入的信息必須用紫外光照射一定的時(shí)間，因此不能用于快速改變儲(chǔ)存信息的場(chǎng)合，用隧道型儲(chǔ)存單元制成的存儲(chǔ)器克服了這一缺點(diǎn)，它稱為電可改寫只讀存儲(chǔ)器E2PROM，即電擦除、電編程的只讀存儲(chǔ)器。

它與疊柵型管的不同在于浮柵延長(zhǎng)區(qū)與漏區(qū)N之間的交疊處有一個(gè)厚度約為80埃的薄絕緣層圖7.2.8Flotox管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖7.2.9E2PROM的存儲(chǔ)單元三、閃速型存儲(chǔ)器（FlashMemory）

閃速存儲(chǔ)單元去掉了隧道型存儲(chǔ)單元的選擇管，它不像E2PROM那樣一次只能擦除一個(gè)字，而是可以用一個(gè)信號(hào)，在幾毫秒內(nèi)擦除一大區(qū)段。

因此，閃速存儲(chǔ)單元比隧道型存儲(chǔ)單元的芯片結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更有效，使用閃速存儲(chǔ)單元制成的PLD器件密度更高。

閃速存儲(chǔ)單元又稱為快擦快寫存儲(chǔ)單元。下圖是閃速存儲(chǔ)單元剖面圖。Flash工作原理類似于疊柵型存儲(chǔ)單元，但有兩點(diǎn)不同之處：1.

閃速存儲(chǔ)單元源極的區(qū)域Sn+大于漏極的區(qū)域Dn+，兩區(qū)域不是對(duì)稱的，使浮柵上的電子進(jìn)行分級(jí)雙擴(kuò)散，電子擴(kuò)散的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疊柵型存儲(chǔ)單元；2.

疊柵存儲(chǔ)單元的浮柵到P型襯底間的氧化物層約200埃左右，而閃速存儲(chǔ)單元的氧化物層更薄，約為100埃。由大量寄存器構(gòu)成的矩陣用以決定訪問哪個(gè)字單元讀出及寫入數(shù)據(jù)的通道用以決定對(duì)被選中的單元是讀還是寫7.3.1靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)一、SRAM的結(jié)構(gòu)和工作原理

地址的選擇通過地址譯碼器來實(shí)現(xiàn)。地址譯碼器由行譯碼器和列譯碼器組成。行、列譯碼器的輸出即為行、列選擇線，由它們共同確定欲選擇的地址單元。256×4RAM存儲(chǔ)矩陣中，256個(gè)字需要8位地址碼A7～A0。其中高3位A7～A5用于列譯碼輸入，低5位A4～A0用于行譯碼輸入。A7～A0=00100010時(shí)，Y1=1、X2=1，選中X2和Y1交叉的字單元。01000100存儲(chǔ)單元1024個(gè)存儲(chǔ)單元排成32行×32列的矩陣RAM是由許許多多的基本寄存器組合起來構(gòu)成的大規(guī)模集成電路。RAM中的每個(gè)寄存器稱為一個(gè)字，寄存器中的每一位稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。寄存器的個(gè)數(shù)（字?jǐn)?shù)）與寄存器中存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)（位數(shù)）的乘積，叫做RAM的容量。按照RAM中寄存器位數(shù)的不同，RAM有多字1位和多字多位兩種結(jié)構(gòu)形式。在多字1位結(jié)構(gòu)中，每個(gè)寄存器都只有1位，例如一個(gè)容量為1024×1位的RAM，就是一個(gè)有1024個(gè)1位寄存器的RAM。多字多位結(jié)構(gòu)中，每個(gè)寄存器都有多位，例如一個(gè)容量為256×4位的RAM，就是一個(gè)有256個(gè)4位寄存器的RAM。二、SRAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元圖7.3.4六管CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元圖7.3.5雙極型RAM的靜態(tài)存儲(chǔ)單元六管N溝道增強(qiáng)型MOS管集成2kB×8位RAM6116寫入控制端片選端輸出使能端字?jǐn)U展輸入／輸出（I/O）線并聯(lián)要增加的地址線A10～A12與譯碼器的輸入相連，譯碼器的輸出分別接至8片RAM的片選控制端7.5用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)A1A0D0D1D2D3000110110101101101101100若以地址為輸入變量，輸出數(shù)據(jù)為輸出變量，則有：由ROM的數(shù)據(jù)表輸出數(shù)據(jù)可以看成地址變量的邏輯函數(shù)例1：用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)八段字符顯示的譯碼器(真值表見P377)。由于數(shù)據(jù)中0的數(shù)目比1的數(shù)目少得多，所以以結(jié)點(diǎn)上接入二極管表示存入0，未接入二極管表示存入1，所以用接入二極管表示存入0比用接入二極管表示存入1要節(jié)省器件

函數(shù)最小項(xiàng)Y1Y2Y3Y4

m000000000w0m100000001w1m210010010w2m310000011w3m400100100w4m500000101w5m611000110w6m711000111w7m800001000w8m900001001w9m1001001010w10m1100001011w11m1200001100w12m1300001101w13m1401101110w14m1500011111w15

D3D2D1D0

地址數(shù)據(jù)以接入存儲(chǔ)器件表示存1，以不接表示存0例2的ROM點(diǎn)陣圖返回以接入存儲(chǔ)器件表示存1，以不接表示存0

如果把ROM的地址代碼視為一組輸入邏輯變量，并把輸出數(shù)據(jù)視為一組多輸出邏輯變量，則輸出與輸入之間就是一組多輸出的組合邏輯函數(shù)。即：地址譯碼器的輸出包含了全部輸入變量的最小項(xiàng)，而每一條位線的輸出又都是以這些最小項(xiàng)之和的形式給出。因而任何形式的組合邏輯函數(shù)均能通過向ROM中寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。結(jié)論：小結(jié)：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）可以在任意時(shí)刻、對(duì)任意選中的存儲(chǔ)單元進(jìn)行信息的存入（寫入）或取出（讀出）操作。與只讀存儲(chǔ)器ROM相比，RAM最大的優(yōu)點(diǎn)是存取方便，使用靈活，既能不破壞地讀出所存信息，又能隨時(shí)寫入新的內(nèi)容。其缺點(diǎn)是一旦停電，所存內(nèi)容便全部丟失。

RAM由存儲(chǔ)矩陣、地址譯碼器