数字电路基础 第7章 半导体存储器

第七章 半导体存储器v 7.1 概述v 7.2 只读存储器 (ROM)v 7.3 随机存储器 (RAM)v 7.4 存储器容量的扩展v 7.5 用存储器实现组合逻辑电路 存储器概述存储器是数字系统和电子计算机的重要组成部分；功能：存放数据、指令等信息。按 材料分类1) 磁介质类 软磁盘、硬盘、磁带2) 光介质类 CD 、 DVD3) 半导体介质类 ROM 、 RAM等按 功能分类主要分 RAM和 ROM两类，不过界线逐渐模糊。RAM: SRAM, DRAM, ROM: 掩模 ROM,PROM,EPROM,EEPROM,FLASH ROM 性能指标1)存储容量 一般用字位数表示 ,即字数 位数；如： 2568bit=2048 位。2)存取时间 存储器操作的速度。本课主要讲述半导体介质类器件存储器是用来存储二值数字信息的大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。它实际上是将大量寄存器按一定规律结合起来的整体，可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码 （地址码 ），每个房间内有一定内容（一个二进制数码，又称为一个 “字 ” ）。(2) 读写存储器 ( RAM )(1) 只读存储器 ( ROM )半导体存储器可分为两大类：7.1 概述在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器 。只读存储器，工作时其存储的内容固定不变。因此，只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。ROM的分类(1)按制造工艺分二极管 ROM双极型 ROM(三极管 )单极型 (MOS)(2)按存储内容写入方式分掩膜 ROM(固定 ROM) 厂家固化内容；可编程 ROM（ PROM） 用户首次写入时决定内容。（一次写入式 ）可编程、 光 可擦除 ROM（ EPROM） 可根据需要改写数据；可编程、 电 可擦除 ROM（ EEPROM 即 E2PROM） 快闪存储器 FLASH ROM一 、固定 ROM的基本结构及工作原理ROM 的 主要技术指标 是 存储容量 。 由于 ROM有 n条地址输入线， 2n条字线，因此，存储器能够存储 2n个字，每个字的字长是 m位，故整个存储器的存储容量是 2n字 m位。 例如：128字 8位、 1024字 8位等。 1、基本结构 地 址译码器存储矩阵输出缓冲器W0地址输入端A0A1An-1 W2n-1D1D0 Dm-1字线位线 读写控制 7.2 只读存储器 ( ROM ) 7.2.1 掩模只读存储器输出电路存储矩阵位线A1A0W3W0W2W12、 二极管 ROM 存储矩阵由二极管构成 A1A0A1A0A1A0A1A0D2D3 D0D1字线&1&1&1111+ECA1A0W3W0W2W1A1A0A1A0A1A0A1A0D2D3 D0D1&1&1&1111+ECA1A0 D3D2D1D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0A1A0W3W0W2W1A1A0A1A0A1A0A1A0D2D3 D0D1&1&1&1111+ECA1A0 D3D2D1D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0（ 1）存储矩阵中的内容，完全取决于用户预先编制好的程序或所要存放的数据，但是，电路一旦做好后，内容就不能再更改，即只能读出，不能写入。 A1A0W3W0W2W1A1A0A1A0A1A0A1A0D2D3 D0D1&1&1&1111+ECA1A0 D3D2D1D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0（ 2）在存储矩阵中，行线和列线相交的地方，叫做存储单元，单元中有二极管者存储内容为 1，无者为 0。 A1A0W3W0W2W1A1A0A1A0A1A0A1A0D2D3 D0D1&1&1&1111+ECA1A0 D3D2D1D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0（ 3）在读取数据时，只要输入指定的地址码，则指定地址内各存储单元所存储的数据便出现在输出数据线上。 A1A0W3W0W2W1A1A0A1A0A1A0A1A0D2D3 D0D1&1&1&1111+ECA1A0 D3D2D1D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0（ 4）存储器的存储容量的大小 =字数 位数 3、 NMOS-ROM存储矩阵 存储矩阵由场效应管构成 W3W0W2W1D2D3 D0D1字线和位线交叉处是存储单元，有 MOS管者存储内容为 1，无者为 0，只是这里被选中的字线上出现的是高电平，而不是低电平。 +VCC1 1 1 1A1A0=00,D3D2D1D0=0101数据表为：D3 D2 D1D01 100 011 1 011 00101W0=1 W1=1W2=1 W3=1D3D2 D1D00 011 100 0 100 110107.2.2 可编程只读存储器 (PROM)字线和位线交叉处是存储单元，有三极管者存储内容为 1，无者为 0，只是这里被选中的字线上出现的是高电平，而不是低电平。 W1D1D2+ED3W2W3W0D0在前面介绍的三种存储器中，其存储单元中的内容在出厂时已被完全固定下来，使用时不能变动，称为 固定 ROM 。有一种可编程序的 ROM ， 在出厂时全部存储 “1”，用户可根据需要将某些单元改写为 “0”,然而只能改写一次，称其为 PROM。晶体三极管 ROM 存储矩阵由晶体三极管构成存 储 矩 阵若将熔丝烧断，该单元则变成 “0”。显然，一旦烧断后不能再恢复。可编程只读存储器 (PROM)W15地址译码器A1W0A0A2A3+EC+ECD2D3 D0D1D4D5熔丝找到要输入 0的单元地址，输入地址代码，使相应字线输出高电平 在 相应位线上加高电压脉冲，使 DZ导通，大电流使熔断丝熔断DZ在存储单元中采用浮置栅雪崩注入的 MOS管（FAMOS管） 7.2.3 可擦除的可编程只读存储器 (EPROM)P+ P+SiO2S D浮置栅它本身是一个 P沟道增强型MOS管，但栅极 “浮置 ”于SiO2层内，与其它部分均不相连，处于完全绝缘的状态。 当 D、 S间加较高的负电压（ -20v -30v） 则可使衬底与 D极之间产生雪崩击穿，耗尽区里的电子在强电场的作用下以很高的速度从漏极的 P+区向外射出，其中速度最快的一部分将穿过 SiO2层而到达浮置栅，被浮置栅俘获而形成栅极存储电荷 雪崩注入。 P+ P+SiO2S D浮置栅若用紫外线或 X射线照射 FAMOS管，则可使 SiO2层中产生电子 空穴对，为浮置栅上的电荷提供临时泻放通路，使之放电，待栅极上的电荷消失后，导电沟道随之消失， FAMOS管又恢复截止状态 擦除。 漏源间的高电压去掉以后，由于注入到栅极上的电荷没有泻放通路，所以能够长久保存下来。而当栅极获得足够多的电荷以后，浮置栅漏源间便可以形成导电沟道，使管子导通。 使用 FAMOS管作存储单元时，如图，产品出厂时，所有 FAMOS管均截止，用户在进行写入操作时，首先输入选好的地址，使需要写入数据的那些单元所在 字线 为 低电平 ，然后在应该写入 1的那些 位线 上加入 负脉冲 ，使被选中的单元的 FAMOS管发生雪崩击穿，存储单元记入 1。 W（ 字线）-VDDD（ 位线）普通 P沟道 MOSFAMOS在读出数据时，只需输入指定的地址代码， 相应的字线便给出低电平 ，这根字线所对应一行单元中栅极 已注入电荷的 FAMOS管导通 ，使所接的位线变成 高电平 ，读出 1，栅极未注入电荷的 FAMOS管截止，使所接的位线变成低电平，读出 0。 W（ 字线）-VDDD（ 位线）普通 P沟道 MOSFAMOS7.3 随机存储器 RAM （ random access memory ）RAM 在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存储器 (或读写存储器 )。 读写速度很快。但一般有易失性，数据掉电后就消失。RAM 按功能可分为RAM 按所用器件可分为RAM 优点： 读写方便，具有信息的灵活性。缺点： 一般有易失性，数据掉电后就消失。静态 (SRAM)动态 (DRAM)双极型MOS型7.3.1 静态随机存储器 (SRAM) 1、基本结构 地 址译码器存储矩阵读 /写控制W0地址输入端读写控制（ R/W ）片选（ CS）WmA0An-1数据输入 /输出（I/O） （ 1）存储矩阵一个 RAM由若干个存储单元组成，每个存储单元存放一位二进制信息（ 1或 0），在译码器和读写控制电路的控制下，既可以写入 0或 1，又可将存储的数据读出。 2564（ 256个字，每字 4位）=1024个存储单元，排成 32行32列，信息的读出和写入是以字为单位进行的。 （ 1）存储矩阵32根行选择线8根列选择线 256 4 RAM存储矩阵Y0 Y1 Y 7 X31 X2 X1 X0 一个字（ 2）地址译码器 5根行地址线3根列地址线 将存放同一个字的存储单元编为一组并赋予一个号码 地址 .A5 A6 Y7 行地址译码器列 地址译码器A3 A2 A1 A0 A4 例如地址线 A9 A0为 0000000001时，行选择线中 X1=1， 其余都为 0，列选择线中 Y0=1，其余都为 0，所以，存储单元 1 0与数据线 D相连通，可以进行读或写。 当输入一个地址码 A0 A9时，有一对相应的行、 列选择线被选中， 也就有一个相应的 “字 ”被选中，即可对该字的存储单元进行读或写操作。WiD D符号（ 3）存储单元 VCCWiDDI/OR / W1 2 3T2T3T4T5 T6QQT1字线数据线数据线Yj 列线T7 T8VCCWiDDI/OR / W1 2 3T2T3T4T5 T6QQT1字线数据线数据线Yj 列 线T7 T8由增强型 NMOS管 T1、 T2、 T3和 T4 构成一个基本 R-S触发器，它是存储信息的基本单元。T5T8是门控管，由字线 Wi和列线Yj控制其导通或截止： Wi=Yj=1则导通，否则截止。反之若 R W=0时， G1输出高电平， G4、 G5被打开， 此时加到 I O端的数据以互补的形式出现在 D和 D上，并被写入到所选中的存储单元， 完成了写操作。 当 CE=0时， RAM被选通，根据读写信号（ RW）执行读或写操作。若 R W=1时， G2输出高电平， G3被打开，存储器执行读操作；VCCWiDDI/OR /