10 第七章 半导体存储器.pptx

第1页：半导体存储器概述

第七章 半导体存储器 第一节 概述。存储器是存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件，用途是在计算机或数字系统中存储数据。

与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包含若干位；各个字的相同位通过同一引脚与外界联系；每个字分配一个地址，因此内部有地址译码器。

第2页：存储器的分类与指标

分类：

• 只读存储器 ROM：掩模 ROM、可编程 ROM（PROM）、可擦除可编程 ROM（EPROM，含紫外线擦除 UVEPROM、电可擦除 EEPROM）、快闪存储器 Flash Memory
• 随机存储器 RAM：静态存储器 SRAM、动态存储器 DRAM

ROM 只能读出不能写入、断电不丢失信息，还可以按制造工艺分为双极型和 MOS 型两种。

主要指标：存储容量（用字数 × 位数表示，也可只用位数表示，例如某动态存储器容量为 10⁹ 位/片）与存取速度（用完成一次存取所需的时间表示，高速存储器的存取时间仅有 10 ns 左右）。

第3页：掩模只读存储器

第二节 只读存储器 ROM。一、掩模只读存储器，又称为固定 ROM，工厂按用户要求生产出来后用户不能改动。

存储矩阵

由若干存储单元排列成矩阵形式，储存单元可由二极管、双极型三极管或 MOS 管构成。

地址译码器

根据地址输入在存储矩阵中选出指定字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。

输出缓冲器

增加带负载能力，同时提供三态控制以便和系统的总线相连。

第4页：掩模 ROM 的工作原理

2. 工作原理：按组合电路进行分析。地址 A1、A0 经二—四线译码器产生四个最小项作为字线 W0—W3，存储矩阵是四个二极管或门。

说明：源文件真值表行列粘连，此处按二极管或门结构（D0 = W1 + W0、D1 = D3 = A0、D2 = W1、D3 = W1 + W3）整理，建议对照原课件图片核对。

第5页：可编程只读存储器 PROM

二、可编程只读存储器 PROM。用 MOS 工艺制造的 ROM 的存储矩阵如图所示（或非门结构）。产品出厂时存的全是 1，用户可一次性写入，即把某些 1 改为 0，但不能多次擦除。

存储单元多采用熔丝——低熔点金属或多晶硅。写入时在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断；编程时 V_CC 和字线电压提高。

第6页：PROM 的结构

16 字 × 8 位的 PROM：十六条字线、八条位线，编程时字线与 V_CC 提高到编程电平（约 20 V），写入脉冲宽度十几微秒。

• 读出时：读出放大器 AR 工作，写入放大器 AW 不工作
• 写入时：在位线输入编程脉冲使写入放大器工作并输出低电平，同时相应的字线和 V_CC 提高到编程电平，将对应的熔丝烧断

缺点：不能重复擦除。

第7页：紫外线擦除 EPROM

三、可擦除的可编程只读存储器 EPROM。（一）紫外线擦除的只读存储器 UVEPROM 是最早出现的 EPROM，通常说的 EPROM 就是指这种。

使用浮栅雪崩注入 MOS 管（FAMOS 管）：

• 写入：管子原来不导通，在漏源之间加上较高电压（如 −20 V）后漏极 PN 结雪崩击穿，部分高速电子积累在浮栅上使 MOS 管导通
• 擦除：用紫外线或 X 射线擦除，需 20—30 分钟
• 浮栅上电荷可长期保存：在 125 ℃ 环境温度下 70% 的电荷能保存 10 年以上

缺点：需要两个 MOS 管，编程电压偏高，P 沟道管的开关速度低。

第8页：叠栅注入 MOS 管

2. 使用叠栅注入 MOS 管 SIMOS（Stacked-gate Injection MOS）：用 N 沟道管并增加控制栅。

• SIMOS 管原来可导通，开启电压约为 2 V
• 注入电荷：在 DS 间加高电压，同时在控制栅加 25 V、50 ms 宽的脉冲；由于控制栅上有电压，所需的漏源电压相对较小
• 注入电荷后其开启电压达 7 V，不能正常导通

已注入电荷的 SIMOS 管存入的是 1。本例为 256 字 × 1 位，采用双译码方式，由行地址译码器和列地址译码器共同选中一个单元。

第9页：电可擦除 EPROM

（二）电可擦除 EPROM（EEPROM 或 E²ROM）：用紫外线擦除操作复杂、速度很慢，必须寻找可以用电信号进行擦除的新型存储器件。EEPROM 使用浮栅隧道氧化层 MOS 管（Flotox，Floating gate Tunnel Oxide）。

第10页：Flotox 管的工作原理

特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（20 纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大于 10⁷ V/cm 时隧道区双向导通。当隧道区的等效电容极小时，加在控制栅和漏极间的电压大部分降在隧道区，有利于隧道区导通。

写入（写 0）、擦除（写 1）、读出三种操作均利用隧道效应，擦写时间约 10 ms。

第11页：快闪存储器

（三）快闪存储器 Flash Memory：EEPROM 的缺点是擦写需要高电压脉冲、擦写时间长、存储单元需两只 MOS 管，快闪存储器就是针对这些缺点研制的。它采用新型隧道氧化层 MOS 管：

• 1. 隧道层在源区
• 2. 隧道层更薄，为 10—15 nm

在控制栅和源极间加 12 V 电压即可使隧道导通。

第12页：快闪存储单元的工作

• 1. 写入：利用雪崩注入法。源极接地，漏极接 6 V，控制栅加 12 V、宽 10 µs 的脉冲
• 2. 擦除：用隧道效应。控制栅接地，源极接 12 V、宽 100 ms 的脉冲；因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元
• 3. 读出：源极接地，字线为 5 V 逻辑高电平

快闪存储器特点：集成度高、容量大、成本低、使用方便，已有 64 兆位产品问世，很有发展前途。

第13页：随机存储器 RAM

第三节 随机存储器 RAM。特点：RAM 在工作时可随时对任意指定单元进行读或写操作，使用方便灵活，但切断电源后所存信息就会丢失，因此也可称为读写存储器。分为静态随机存储器 SRAM 和动态随机存储器 DRAM 两种。

（一）RAM 的结构：

• 1. 存储矩阵（例如 2114）
• 2. 地址译码：采用双译码方式
• 3. 读写控制电路：片选信号 CS 控制 I/O 端是否处在高阻状态，读写控制信号 R/W 控制电路处于读出还是写入状态

第14页：2114 SRAM 结构

本页给出 1024 字 × 4 位（2114）SRAM 的结构框图，包含存储矩阵、行地址译码器、列地址译码器、读写控制与输入输出缓冲等部分。

第15页：静态 RAM 的存储单元

（二）静态 RAM 的存储单元：

• 1. 六管 NMOS 静态存储单元
• 2. 六管 CMOS 静态存储单元
• 3. 双极型静态存储单元

第16页：动态随机存储器 DRAM

二、动态随机存储器 DRAM：利用 MOS 管栅极电容可以暂存电荷的原理制成，因此存储单元简单、存储容量大。但栅极电容很小，由于漏电的影响电容电荷保存时间很短，必须定时给电容充电——即刷新、再生，这就需要外围电路配合。这里只介绍四管动态存储单元。

• 读出：先加预充脉冲使位线充至 V_DD，再使 X 信号有效就可在位线上得到要求的电平，这也是刷新过程；如果使 Y 信号也有效就能读出
• 写入：与静态存储器类似

第17页：存储器的位扩展

第四节 存储器容量的扩展。一、位扩展方式：方法是所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和读写信号），输出并列。

需要片数 N = 目标存储器容量 ÷ 已有存储器容量。例：用 1024 字 × 1 位 RAM 构成 1024 字 × 8 位 RAM，需要 N = 8 片。

第18页：存储器的字扩展

二、字扩展方式。例：用 256 字 × 8 位 RAM 组成 1024 字 × 8 位存储器，需要片数 N = 4。

特点：必须使用译码器。当要求字和位都扩展时，重复使用字扩展的电路，但译码器只用一个。

第19页：字扩展的连接方法

字扩展方法：片内地址信号并联，多余地址端通过译码器接至各片的片选端，I/O 同名端并联。

第20页：字位同时扩展电路

本页以电路图形式展示字与位同时扩展时译码器与各片之间的连接关系，说明译码器只需一个即可供多组芯片共用。

第21页：六管静态存储单元

本页给出六管静态存储单元与 SRAM 的结构：两个交叉耦合的反相器构成基本存储单元，两个门控管控制位线与单元之间的通断。注意读出和写入的方法。

第22页：用存储器实现组合逻辑函数

第五节 用存储器实现组合逻辑函数。ROM 的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。

例：用 ROM 实现由 8421-BCD 码到七段显示器的译码器，把四位 BCD 码作为地址输入、七段输出作为数据输出即可。

第23页：ROM 的简化表示法

本页给出 ROM 的简化表示方法：字线与位线交叉处打点表示存有二极管（即该位存 1），不打点表示无二极管。掩模 ROM 的打点图案在出厂时确定，不可编程。