數(shù)字電路08第七章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

第七章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器7.1概述半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是固態(tài)存儲(chǔ)器SSD(SolidStateDrives)

，具有存儲(chǔ)密度高，體積小，容量大，讀寫速度快，功耗低等優(yōu)點(diǎn)!分類：掩模ROM可編程ROM(PROM--ProgrammableROM)可擦除可編程ROM(EPROM--ErasablePROM)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM(StaticRAM)

主要用于高速緩存和服務(wù)器內(nèi)存動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM(DynamicRAM)按功能特點(diǎn)EEPROM(ElectricallyEPROM)/E2PROM只讀存儲(chǔ)器ROM(Read-OnlyMemory)FlashMemory(快閃存儲(chǔ)器，如U盤)FRAM(Ferro-electricRAM鐵電存儲(chǔ)器)SDRAM,DDR-RAM等非揮發(fā)存儲(chǔ)器（Non-VolatileMemory--NVM）揮發(fā)存儲(chǔ)器（VolatileMemory--VM）或者稱易失存儲(chǔ)器1.ROM的構(gòu)成主要指標(biāo)：存儲(chǔ)容量、存取速度。存儲(chǔ)容量：用字?jǐn)?shù)×位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的容量為109位/片。7.2.1掩模只讀存儲(chǔ)器7.2只讀存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)單位:字2.

工作原理ROM是組合邏輯電路d3=W1+W3=A’1A0+A1A03.看待ROM（存儲(chǔ)器）的三個(gè)不同的角度組合邏輯查找表(Look-uptable)譯碼－編碼的過程地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110真值表輸入變量輸出變量A0~An-1W0W(2n-1)D0Dm地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D00001010110111001001111104.數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)矩陣對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)器的容量:字?jǐn)?shù)x位數(shù)存儲(chǔ)矩陣的每個(gè)交叉點(diǎn)是一個(gè)“存儲(chǔ)單元”，存儲(chǔ)單元中有器件存入“1”，無器件存入“0”編程時(shí)VCC和字線電壓提高寫入時(shí)，要使用編程器7.2.2可編程只讀存儲(chǔ)器PROM7.2.3可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器一、EPROM(UVEPROM-UltraViolet)SIMOS:Stacked-gateInjectionMOS;疊柵注入MOS浮置柵極為氮化物是可以存儲(chǔ)電荷的電荷勢(shì)阱行列地址譯碼器5V5VGND導(dǎo)通狀態(tài):浮柵上沒有電荷時(shí),加控制柵電壓VT(5V)時(shí),導(dǎo)通,存”0”截止?fàn)顟B(tài):浮柵上帶有負(fù)電荷時(shí),使得MOS管的開啟電壓變高,加控制柵電壓VT時(shí),截止,存”1”iDVT1VT2vGS浮柵無電子浮柵有電子O存儲(chǔ)電荷前存儲(chǔ)電荷后浮柵MOS管電流傳輸特性2.存儲(chǔ)原理5V5VGNDVT1<VT<VT2(1)擦除用紫外線或X射線，距管子2厘米處照射15~20分鐘；陽(yáng)光下1周，熒光燈下3年。3.編程原理：先擦除，再寫入(編程)25V25VGND(2)寫入1.源漏極加高壓(+20V~+25V),發(fā)生雪崩擊穿2.在控制柵極Gc上加高壓(+25V,50ms)吸引高速電子穿過SiO2到達(dá)浮柵，這個(gè)過程稱為Hotcarrierinjection書上稱為雪崩注入

見備注二、EEPROM/E2PROM浮柵隧道氧化層MOSFlotoxMOS:FloatinggateTunnelOxideMOS存儲(chǔ)原理：Gf存電荷前,正?？刂茤艠O電壓3V下,T1導(dǎo)通,存0Gf存電荷后,正?？刂茤艠O電壓3V下,T1截止,存1T2為了提高擦、寫的可靠性T1為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)管EEPROM的編程過程：先擦除，再編程！(1)擦除就是給浮柵的充電，相當(dāng)于寫“1”(2)寫入就是將需要寫“0”的單元的柵極放電寫1(擦除/充電):Wi和Gc加20V、10ms的正脈沖Bj接0，電子通過隧道區(qū)從漏極進(jìn)入浮置柵極Gf寫0(寫入/放電):Gc接0，Wi和Bj加20V10ms的正脈沖,電子通過隧道區(qū)從浮置柵極Gf向漏極釋放區(qū)別于EPROM的hot-electroninjection這種稱為tunnelinjection

書上稱為隧道效應(yīng)或稱隧道注入有興趣可以參考http:///flash+memory三、快閃存儲(chǔ)器FlashMemory按結(jié)構(gòu)又分為NORFlash和NANDFlash。基本單元為SIMOS--疊柵注入MOS，特點(diǎn)是浮柵Gf與襯底間SiO2更薄10~15nm(相比EPROM的30~40nm,E2PROM的20nm)，Gf與源極S有極小的重疊區(qū)，即隧道區(qū)。下面主要指的是NORFlash。存儲(chǔ)單元相對(duì)于EEPROM，只需要一個(gè)MOS管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，成本低。因?yàn)镸OS管的源極是連在一起的，所以擦除時(shí)按固定大小的存儲(chǔ)容量(典型為128-512kbits)整體擦除，所以叫FlashMemory，用來形容擦除速度快。擦除（寫0）類似E2PROM，基于隧道效應(yīng)寫入（寫1）類似EPROM，為雪崩注入和E2PROM相比，需要電壓明顯減小，這源于更薄的SiO2絕緣層。FlashROM具有在系統(tǒng)可編程(ISP,In-SystemProgrammability)的能力。在許多場(chǎng)合，F(xiàn)lashROM也被直接稱為E2PROM.NORFlash的擦除和寫入（編程）NANDFlash的擦除和編程都基于隧道效應(yīng)NANDFlash的擦除和寫入（編程）NORFlash同一位線上的單元是并聯(lián)的關(guān)系，邏輯上為或非邏輯NOR指的就是或非邏輯的意思NANDFlash同一位線上的單元是串聯(lián)的關(guān)系，邏輯上為與非邏輯NAND指的就是與非邏輯的意思NORFlash結(jié)構(gòu)NANDFlash結(jié)構(gòu)NORFlash和NANDFlash的比較:1.擦除和寫入方式相同：按塊擦除和寫入；2.存儲(chǔ)單元的連接方式不同，或非和與非；3.讀出方式不同:NOR是線性編址，可以按字節(jié)隨機(jī)訪問；而NAND是分了塊頁(yè)字節(jié)三個(gè)地址尋址，只能按塊讀取。顯然NOR接口簡(jiǎn)單,存取單位為字節(jié),可以隨機(jī)訪問;而且具有XIP的功能（eXecuteInPlace，本地執(zhí)行），常用來存放程序代碼；4.NOR壽命短（10萬次），NAND（100萬次）；因?yàn)閄OR的擦除基于隧道注入，而寫入基于雪崩注入，它們是不對(duì)稱操作，加速了存儲(chǔ)單元老化的速度。5.NOR寫入和擦除速度慢,存儲(chǔ)密度低,成本高；NAND相反,所以現(xiàn)在的U盤等便攜存儲(chǔ)用的是NANDFlash。雖然，ROM可讀也可寫，但寫入速度慢，另外寫入或擦除操作是有損操作，SIO2絕緣層很薄，隨著寫操作次數(shù)增加，也在不斷損耗，一旦絕緣層徹底擊穿，將不能再編程。所以可寫ROM的編程次數(shù)都是有限的，典型次數(shù)為100萬次(NANDFlash)。U盤往往內(nèi)部包括了微處理器（右側(cè)芯片）和Flashmemory（主要是NANDFlash），之所以可以在比較低的單電源條件下工作，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部往往有電荷泵（chargepump

）用于提升電壓，以滿足在擦除和寫入時(shí)對(duì)高電壓的要求。MLC(Multi-LevelCell)vsSLC(Single-LevelCell)ASingle-LevelCell,SLC,memorycardstoresonebitineachcell,leadingtofastertransferspeeds,lowerpowerconsumptionandhighercellendurance.TheonlydisadvantageofSingle-LevelCellisthemanufacturingcostperMB.Basedonthat,theSLCflashtechnologyisusedinhigh-performancememorycards.

AMulti-levelCell,MLC,memorycardstorestwoormorebitsineachcell.Bystoringmorebitspercell,aMulti-LevelCellmemorycardwillachieveslowertransferspeeds,higherpowerconsumptionandlowercellendurancethanaSingle-LevelCellmemorycard.TheadvantageofMulti-LevelCellmemorycardisthelowermanufacturingcosts.TheMLCflashtechnologyisusedmostlyinstandardmemorycards.TheMulti-BitCell,MBC,isasimilartechnologytotheMulti-LevelCellbutstoresonlytwobitspercell.見備注Kingston1GSDcard左側(cè)為三星K9G808U0MMLCFlashROM2bits/cell右側(cè)為SD控制芯片四、FeRAM/FRAM(Ferro-electricRAM)Ramtron公司在1992年下半年開始生產(chǎn)供銷售的鐵電存儲(chǔ)器。器件:FM18L08

256kBBytewideFRAMMemory(一)相對(duì)于EEPROM和Flash優(yōu)勢(shì)之處1.鐵電存儲(chǔ)器的讀寫速度更快。與其它存儲(chǔ)器相比，鐵電存儲(chǔ)器的寫入速度要快10萬倍以上。讀的速度同樣也很快，和寫操作速度上幾乎沒有太大區(qū)別。2.FRAM存儲(chǔ)器可以無限次擦寫，而EEPROM只能進(jìn)行100萬次擦寫。3.鐵電存儲(chǔ)器所需功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他非易失性存儲(chǔ)器。(二)FRAM原理FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí),晶體中心原子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電場(chǎng)從晶體移走后，中心原子會(huì)保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個(gè)高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時(shí)不能越過高能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由于鐵電效應(yīng)是鐵電晶體所固有的一種偏振(電)極化特性，與電磁作用無關(guān)，所以FRAM存儲(chǔ)器的內(nèi)容不會(huì)受到外界條件(諸如磁場(chǎng)因素)的影響，能夠同普通ROM存儲(chǔ)器一樣使用，具有非易失性的存儲(chǔ)特性。FRAM晶體結(jié)構(gòu)(三)FRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)類似DRAMFRAM的存儲(chǔ)單元主要由電容和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，但這個(gè)電容不是一般的電容，在它的兩個(gè)電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個(gè)存儲(chǔ)單元使用2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和2個(gè)電容，稱為“雙管雙容”(2T2C)，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡(jiǎn)化的2T2C存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。2001年Ramtron設(shè)計(jì)開發(fā)了更先進(jìn)的“單管單容”(1T1C)存儲(chǔ)單元。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個(gè)參考位，而不是對(duì)于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨(dú)立的參考位。1T1C的FRAM產(chǎn)品成本更低，而且容量更大。簡(jiǎn)化的1T1C存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)(未畫出公共參考位)如圖(b)所示。(a)(b)位線(數(shù)據(jù)位)位線(參考位)位線(數(shù)據(jù)位)字線字線(四)FRAM的讀/寫操作

FRAM保存數(shù)據(jù)不是通過電容上的電荷，而是由存儲(chǔ)單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進(jìn)行記錄。直接對(duì)中心原子的位置進(jìn)行檢測(cè)是不能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的讀操作過程是：在存儲(chǔ)單元電容上施加一已知電場(chǎng)(即對(duì)電容充電)，如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場(chǎng)方向使中心原子要達(dá)到的位置相同，中心原子不會(huì)移動(dòng)；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達(dá)另一位置，在充電波形上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰，即產(chǎn)生原子移動(dòng)的比沒有產(chǎn)生移動(dòng)的多了一個(gè)尖峰。把這個(gè)充電波形同參考位(確定且已知)的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測(cè)的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。無論是2T2C還是1T1C的FRAM，對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀操作時(shí)，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會(huì)改變(這是因?yàn)樽x操作施加的電場(chǎng)方向與原參考位中原子的位置相同)。由于讀操作可能導(dǎo)致存儲(chǔ)單元狀態(tài)的改變，需要電路自動(dòng)恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個(gè)讀操作后面還伴隨一個(gè)“預(yù)充電”(pre-charge)過程來對(duì)數(shù)據(jù)位恢復(fù)，而參考位則不用恢復(fù)。晶體原子狀態(tài)的切換時(shí)間小于1ns，讀操作的時(shí)間小于70ns,加上“預(yù)充”時(shí)間60ns,一個(gè)完整的讀操作時(shí)間約為130ns。

寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場(chǎng)改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無需進(jìn)行恢復(fù)。但是寫操作仍要保留一個(gè)“預(yù)充”時(shí)間，所以總的時(shí)間與讀操作相同。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲(chǔ)器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。7.3隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）7.3.1靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM（一）RAM的結(jié)構(gòu)分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM兩種。(2)片選信號(hào)CS’:控制I/O端是否處在高阻狀態(tài)。(1)讀寫控制信號(hào)R/W’:控制電路處于讀出,還是寫入狀態(tài)。1.六管NMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元（二）靜態(tài)RAM的存儲(chǔ)單元最細(xì)線寬（最小特征尺寸）0.25μm0.18μm0.13μm90nm65nm45nm6T-SRAMbitcell7.564.652.431.360.710.346T-SRAMwithoverhead11.287.183.732.091.090.521T-SRAMbitcell3.511.971.100.610.320.15Cellsizes(μm2/bitormm2/Mbit)

7.3*DRAM:四管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元T1T2交叉連接作存儲(chǔ)器用，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲(chǔ)在T1T2的寄生電容C1和C2上，而C1和C2上的電壓又控制著T1T2的導(dǎo)通或截止，產(chǎn)生位線B和B’上的高、低電平。C1被充電，且使C1上的電壓大于開啟電壓，同時(shí)C2沒被充電，T1導(dǎo)通、T2截止。VC1=Q’=1，VC2=Q=0，存儲(chǔ)單元存0狀態(tài)。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元是利用MOS管柵極電容可以存儲(chǔ)電荷的原理動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元的電路結(jié)構(gòu)還可以更簡(jiǎn)單，進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度，降低成本單管電路DRAM芯片組成的內(nèi)存模塊7.4存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展7.4.1位擴(kuò)展方式方法：所有輸入信號(hào)都并聯(lián)(地址信號(hào)、片選信號(hào)和讀寫信號(hào));輸出各自獨(dú)立。N=目標(biāo)存儲(chǔ)器容量已有存儲(chǔ)芯片容量需要片數(shù)N=8例：用1024字×1位RAM芯片構(gòu)成1024字×8位RAM存儲(chǔ)器例：用256字×8位RAM芯片組成1024字×8位存儲(chǔ)器。需要片數(shù)N=47.4.2字?jǐn)U展方式N=目標(biāo)存儲(chǔ)器容量已有存儲(chǔ)芯片容量各片地址分配情況：000H0FFH100H1FFH2FFH3FFH200H300H當(dāng)要求字和位同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，先字?jǐn)U展或先為擴(kuò)展都可以，最終結(jié)果都是一樣的。7.5用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)1.ROM的地址輸出為二進(jìn)制譯碼，既輸出為地址變量的最小項(xiàng)2.存儲(chǔ)矩陣根據(jù)其存儲(chǔ)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出為各最小項(xiàng)的或運(yùn)算例7.5.1用ROM實(shí)現(xiàn)由8421-BCD碼到八段顯示器的譯碼器。ROM的簡(jiǎn)化表示方法。都轉(zhuǎn)換為4變量函數(shù)題[7-3]某臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)存設(shè)置為32位地址線，16位并行數(shù)據(jù)輸入/輸出，問其最大存儲(chǔ)量是多少？最大存儲(chǔ)容量＝232×16b（bit，比特）＝236b＝233B（Byte字節(jié)）＝223kB＝213MB＝23GB＝8GB尋址能力或?qū)ぶ房臻g是系統(tǒng)性能參數(shù)之一第7章習(xí)題題[7-4]試用4片4k×8位的RAM芯片組成16k×8位的RAM存儲(chǔ)器。題[7-5]試用4片2114(1024×4的RAM芯片)和3-8譯碼器74LS138實(shí)現(xiàn)4096×4位的RAM存儲(chǔ)器。注意74138的使用！LGS(GM)–SDRAMGM72V661641CT7J-GM7=LGS:LuckyGoldStarGM72V661641CT7J-1=FPMorEDO:2=SDRAMGM72V6