第七章半導體存儲器1教材課件

第七章半導體存儲器學習要點：介紹各種半導體存儲器的工作原理和使用方法只讀存儲器(ROM、PROM、EPROM和快閃存儲器)隨機存儲器（DRAM、SRAM）存儲器容量的擴展及用存儲器設計組合邏輯電路的概念第七章半導體存儲器學習要點：17.4存儲器容量的擴展7.3隨機存儲器（RAM）7.2只讀存儲器（ROM）7.1概述7.5用存儲器實現組合邏輯函數第七章半導體存儲器7.4存儲器容量的擴展7.3隨機存儲器（RAM27.1概述半導體存儲器是能存儲大量二值信息的半導體器件。從存、取功能上分為衡量存儲器性能的重要指標：存儲容量和存取速度。只讀存儲器（ROM）優(yōu)點：電路結構簡單，斷電后數據不丟失缺點：只適用于存儲固定數據的場合隨機存儲器（RAM）從制造工藝上分為雙極型MOS型功耗低，集成度高，適于制作大容量的存儲器DRAM:結構簡單，集成度高，速度低SRAM:集成度低，速度高7.1概述半導體存儲器是能存儲大量37.2只讀存儲器（ROM）7.2.1掩模只讀存儲器(ROM)退出7.2.2可編程只讀存儲器(PROM)7.2.3可擦除的可編程只讀存儲器(EPROM)7.2只讀存儲器（ROM）7.2.1掩模只讀存儲器4存儲容量＝字線數×位線數＝2n×b（位）存儲單元地址將輸入的地址代碼譯成相應的控制信號，利用控制信號從存儲矩陣中選出指定的單元，并把其中的數據送到輸出緩沖器有許多存儲單元（二極管、雙極型三極管或MOS管）排列組成。每個單元存放1位二值代碼（0或1）。每一組存儲單元有一個對應的地址代碼。能提高存儲器的帶負載能力，實現對輸出狀態(tài)的三態(tài)控制，以便與系統的總線聯接7.2.1掩模只讀存儲器(ROM)存儲容量＝字線數×位線數＝2n×b（位）存儲單元地址將輸入的5地址數據A1A0D3D2D1D00

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0地址線位線字線與位線的每個交叉點都是一個存儲單元。交點處接有二極管相當于存1，沒接二極管時相當于存0。交叉點的數目=存儲單元數，存儲容量=(字數)×(位數)用二極管制作的ROMW0W1W2W3二極管與門陣列—譯碼器二極管或門陣列—編碼器字線地址數據A1A0D3D2D1D006用MOS工藝制作的ROM用N溝道增強型MOS管代替二極管。字線與位線的每個交叉點處接有MOS管相當于存1，沒接MOS管時相當于存0。注：接有MOS管的位線由于MOS管導通為低電平，經反相緩沖器輸出為高電平。用MOS管構成的存儲矩陣用MOS工藝制作的ROM用N溝道增強型MOS管代替二極管74×4位ROM地址譯碼器存儲體4×4位ROM地址譯碼器存儲體8存儲內容未連接的或門對于給定的地址，相應一條字線輸出高電平，與該字線相連接的或門輸出為1，輸出為0。存儲內容未連接的或門對于給定的地址，相應一條字線輸出高電平9A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D0=1D2=0A1=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D010A1=0A0=1W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D0=1D2=1A1=0W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D011A1=1A0=0W0=0W1=0W2=1W3=0D3=1D1=0D0=0D2=1A1=1W0=0W1=0W2=1W3=0D3=1D1=0D012A1=1A0=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D0=1D2=1A1=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D013ROM的簡化畫法地址譯碼器產生了輸入變量的全部最小項存儲體實現了有關最小項的或運算與陣列固定或陣列可編程連接斷開ROM的簡化畫法地址譯碼器產生了輸入變量的全部最小項存儲體實14熔絲型PROM的存儲單元7.2.2可編程只讀存儲器(PROM)出廠時所有存儲單元都存入1。編程時先輸入地址代碼，找出要寫入0的單元地址。然后使VCC和選中的字線提高到編程所需要的高電平，同時在編程單元的位線上加入編程脈沖(幅度約20V，持續(xù)時間約幾微秒)，此時寫入放大器AW的輸出為低電平，低內阻狀態(tài)，熔絲熔斷。PROM的內容一經寫入，就不能修改。PROM管的結構原理圖熔絲型PROM的存儲單元7.2.2可編程只讀存儲器(PRO157.2.3可擦除的可編程只讀存儲器(PROM)一、EPROM(UVEPROM)—采用疊柵注入MOS管（SIMOS）制作的存儲單元控制柵GC用于控制讀出和寫入。浮置柵Gf用于長期保存注入電荷。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—源之間產生導電溝道，SIMOS導通。2.浮置柵上注入負電荷以后，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電溝道，因此在柵極加上正常的高電平信號時SIMOS不會導通。EPROM具有和錄音帶相似的特點：一方面，在停電以后，信息可長期保存；另一方面，當不需這些信息時，又可擦去重寫。用紫外線照射進行擦除的UVEPROM、用電信號擦除的E2PROM和快閃存儲器(FlashMemory)。7.2.3可擦除的可編程只讀存儲器(PROM)一、EPRO16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管恢復到初始的導通狀態(tài)。浮柵上的電荷無放電通路，沒法泄漏。用紫外線照17第七章半導體存儲器(1)教材課件18二、E2PROM（電信號可擦除的可編程ROM）

前面研究的可擦寫存儲器的缺點是要擦除已存入的信息必須用紫外光照射一定的時間，因此不能用于快速改變儲存信息的場合，用隧道型儲存單元制成的存儲器克服了這一缺點，它稱為電可改寫只讀存儲器E2PROM，即電擦除、電編程的只讀存儲器。它與疊柵型管的不同在于浮柵延長區(qū)與漏區(qū)N之間的交疊處有一個厚度約為80埃的薄絕緣層，稱為隧道區(qū)。浮柵隧道氧化層MOS管存儲管選通管二、E2PROM（電信號可擦除的可編程ROM）19三、快閃存儲器（FlashMemory）閃速存儲單元去掉了隧道型存儲單元的選擇管，它不像E2PROM那樣一次只能擦除一個字，而是可以用一個信號，在幾毫秒內擦除一大區(qū)段。因此，閃速存儲單元比隧道型存儲單元的芯片結構更簡單、更有效，使用閃速存儲單元制成的PLD器件密度更高。三、快閃存儲器（FlashMemory）20閃速存儲單元又稱為快擦快寫存儲單元。Flash工作原理類似于疊柵型存儲單元，但有兩點不同之處：

1.閃速存儲單元源極的區(qū)域Sn+大于漏極的區(qū)域Dn+，兩區(qū)域不是對稱的，使浮柵上的電子進行分級雙擴散，電子擴散的速度遠遠大于疊柵型存儲單元；

2.疊柵存儲單元的浮柵到P型襯底間的氧化物層約200埃左右，而閃速存儲單元的氧化物層更薄，約為100埃。快閃存儲器中的疊柵MOS管快閃存儲器的存儲單元字線位線WiBjVSSGcDS閃速存儲單元又稱為快擦快寫存儲單元。Flash工作原理類似于21利用雪崩擊穿的方法使浮柵充電(a)讀出狀態(tài)字線位線WiBjVSSGcDS+5V0V若浮置柵上沒有充電，位線上輸出低電平；若浮置柵上充有負電荷，位線上輸出高電平；+12V(b)寫入（寫1）狀態(tài)字線位線WiBjVSSGcDS+6V0V利用隧道效應完成(c)擦除（寫0）狀態(tài)字線位線WiBjVSSGcDS0V+12V利用雪崩擊穿的方法使浮柵充電(a)讀出狀態(tài)字線位線W227.3隨機存儲器（RAM）特點：工作時可以隨時從任何一個指定地址讀出數據，靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)優(yōu)點：讀、寫方便，使用靈活。缺點：一旦停電，所存儲的數據將隨之消失。也可以隨時將數據寫入任何一個指定的存儲單元中。動態(tài)隨機存儲器(DRAM)7.3隨機存儲器（RAM）特點：工作時可以隨時從任何一個237.3隨機存儲器（RAM）7.3.1靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)退出7.3.2動態(tài)隨機存儲器(DRAM)7.3隨機存儲器（RAM）7.3.1靜態(tài)隨機存儲器24CS'R/W'由大量存儲單元構成的矩陣用以決定訪問哪個字單元讀出及寫入數據的通道用以決定芯片是否工作用以決定對被選中的單元是讀還是寫7.3.1靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)一、SRAM的結構和工作原理CS'R/W'由大量存儲單元用以決定訪問讀出及寫入用以決定25地址的選擇通過地址譯碼器來實現。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存儲矩陣中，256個字需要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，Y1=1、X2=1，選中X2和Y1交叉的字單元。01000100存儲單元1024個存儲單元排成32行×32列的矩陣地址的選擇通過地址譯碼器來實現。地址譯碼器由行譯碼器和列譯碼261024

4位RAM（2114）的結構框圖A0A1A2A9A3A4A5A6A7A8I/O0

I/O1

I/O2I/O3CS'R/W'10244位RAM（2114）的結構框圖A0A27

MOS管可以工作于靜態(tài)，也可以工作于動態(tài)，而雙極型管單元大多工作于靜態(tài)。二、SRAM的靜態(tài)存儲單元六管NMOS靜態(tài)存儲單元RAM中的存儲單元可由雙極型管組成，也可由MOS管組成。T1、T2、T3及T4構成SR鎖存器T5及T6是行選（門控）管，是一行中公用的字線T7及T8是列選管，是一列公用的列地址譯碼器的輸出MOS管可以工作于靜態(tài)，也可以工作于動態(tài)，而28

MOS管可以工作于靜態(tài)，也可以工作于動態(tài)，而雙極型管單元大多工作于靜態(tài)。二、SRAM的靜態(tài)存儲單元六管NMOS靜態(tài)存儲單元

RAM中的存儲單元可由雙極型管組成，也可由MOS管組成。0111數據讀出MOS管可以工作于靜態(tài)，也可以工作于動態(tài)，而雙極型管29

MOS管可以工作于靜態(tài)，也可以工作于動態(tài)，而雙極型管單元大多工作于靜態(tài)。六管NMOS靜態(tài)存儲單元二、SRAM的靜態(tài)存儲單元

RAM中的存儲單元可由雙極型管組成，也可由MOS管組成。00當使能為低電平，寫也為低電平時，三態(tài)門A2將輸入數據Di通過T7、T5作用于T3柵極，同時將Di的互補值通過T8及T6作用于T1的柵極，從而使觸發(fā)器按Di翻轉，完成寫入。11數據寫入D'iDiDiMOS管可以工作于靜態(tài)，也可以工作于動態(tài)，而雙極型管30二、SRAM的靜態(tài)存儲單元雙極型RAM的靜態(tài)存儲單元六管CMOS靜態(tài)存儲單元二、SRAM的靜態(tài)存儲單元雙極型RAM的靜態(tài)存儲單元六管CM31集成2kB×8位RAM6116寫入控制端片選端輸出使能端集成2kB×8位RAM6116寫入控制端片選端輸出使能端327.3.2動態(tài)隨機存儲器(SRAM)DRAM的基本存儲單元是單個場效應管及其極間電容讀出時，為破壞性讀出，使用時需周期性刷新必須配備“讀出再生放大電路”進行刷新DRAM一般采用“位結構”存儲體：每個存儲單元存放一位需要8個存儲芯片構成一個字節(jié)單元每個字節(jié)存儲單元具有一個地址7.3.2動態(tài)隨機存儲器(SRAM)DRAM的基本存儲33位擴展將地址線、讀／寫線和片選線對應地并聯在一起輸入／輸出（I/O）分開使用作為字的各個位線7.4存儲容量的擴展用8片1024×1位RAM擴展成1024×8位RAM位擴展將地址線、讀／寫線和輸入／輸出（I/O）分開7.434用4片256×8位RAM擴展成1024×8位RAM輸入／輸出（I/O）線并聯要增加的地址線A8、A9與譯碼器的輸入相連，譯碼器的輸出分別接至8片RAM的片選控制端字擴展用4片256×8位RAM擴展成1024×8位RAM輸入／輸出35各片RAM電路的地址分配表器件編號A9A8Y0Y1Y2Y3地址范圍A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

（等效十進制數）RAM（1）0001110000000000~0011111111

（0）（255）RAM（2）0110110100000000~0111111111

（256）（511）RAM（3）1011011000000000~1011111111

（512）（767）RAM（4）1111101100000000~1111111111

（768）（1023）各片RAM電路的地址分配表器件編號A9A8Y0Y1Y236

ROM電路中的譯碼器的輸出包含了輸入變量全部的最小項，而每一位數據輸出又是若干個最小項之和，因而任何形式的組合邏輯函數均能通過向ROM中寫入相應的數據來實現。7.5用存儲器實現組合邏輯函數A1A0D0D1D2D3000110110101101101101100原理用具有n位輸入地址、m位數據輸出的ROM可以獲得一組(最多為n個)任何形式的n變量組合邏輯函數，只要根據函數的形式向ROM中寫入相應的數據。此原理也適用于RAM。ROM電路中的譯碼器的輸出包含了輸入變量全37【例7.5.1】用ROM設計一個八段字符顯示的譯碼器，其真值表為：

【例7.5.1】用ROM設計一個八段字符顯示的譯碼器，其真值38例如a的狀態(tài)分別為1011011111100011例如a的狀態(tài)分別為101101111110001139解：將上式化為最小項和的形式得到例2：用ROM產生如下的一組多輸出邏輯函數或解：將上式化為最小項和的形式得到例2：用ROM產生如下的一組40取4位地址輸入，4位數據輸出