数字第7章半导体存储器ppt课件

1、第七章第七章 半导体存储器半导体存储器 半导体存储器是一种能存储大量二值信息半导体存储器是一种能存储大量二值信息(或或称为二值的数据称为二值的数据)的半导体器件。的半导体器件。 在电子计算机以及其他一些数字系统的任务在电子计算机以及其他一些数字系统的任务过程中，都需求对大量的数据进展存储。因此，过程中，都需求对大量的数据进展存储。因此，存储器也就成了这些数字系统不可短少的组成部存储器也就成了这些数字系统不可短少的组成部分。分。7.1 概述概述 由于计算机处置的数据量越来越大，运算速由于计算机处置的数据量越来越大，运算速度越来越快，这就要求存储器具有更大的存储容度越来越快，这就要求存储器具有更大

2、的存储容量和更快的存取速度。通常都把存储量和存取速量和更快的存取速度。通常都把存储量和存取速度作为衡量存储器性能的重要目的。目前动态存度作为衡量存储器性能的重要目的。目前动态存储器的容量已达储器的容量已达109位片。一些高速随机存储位片。一些高速随机存储器的存取时间仅器的存取时间仅 10ns 左右。左右。 由于半导体存储器的存储单元数目极其庞大由于半导体存储器的存储单元数目极其庞大而器件的引脚数目有限，所以在电路构造上就不而器件的引脚数目有限，所以在电路构造上就不能够像存放器那样把每个存储单元的输入和输出能够像存放器那样把每个存储单元的输入和输出直接引出。直接引出。 为理处理这个矛盾，在存储器

3、中给每个存储为理处理这个矛盾，在存储器中给每个存储单元编了一个地址，只需被输入地址代码指定的单元编了一个地址，只需被输入地址代码指定的那些存储单元才干与公共的输入输出引脚接通，那些存储单元才干与公共的输入输出引脚接通，进展数据的读出或写入。进展数据的读出或写入。SIM卡卡数码相机用的数码相机用的MS记忆棒记忆棒运用运用FLASH Memory 的电子盘的电子盘U盘盘MP3播放器播放器PC机主板机主板内存插槽内存插槽内存条内存条 半导体存储器的种类很多，首先从半导体存储器的种类很多，首先从存、取功能上可以分为只读存储器存、取功能上可以分为只读存储器 ( Read-Only Memory，简称，简

4、称 ROM )和随和随机存储器机存储器( Random Access Memory，简，简称称 RAM ) 两大类。两大类。7.2 只读存储器只读存储器 ROM 只读存储器在正常任务形状下只能从中读取数只读存储器在正常任务形状下只能从中读取数据，不能快速地随时修正或重新写入数据。据，不能快速地随时修正或重新写入数据。 ROM的优点是电路构造简单，而且在断电以后的优点是电路构造简单，而且在断电以后数据不会丧失。它的缺陷是只适用于存储那些固定数据不会丧失。它的缺陷是只适用于存储那些固定数据的场所。数据的场所。 只读存储器中又有掩模只读存储器中又有掩模ROM、可编程、可编程ROM ( Program

5、mable Read-Only Memory，简称，简称PROM )和可擦除的可编程和可擦除的可编程 ROM ( Erasable Programmable ReadOnly Memory，简称，简称EPROM几种不同类几种不同类型。型。图图7.2.1 ROM的电路构造框图的电路构造框图7.2.1 掩膜只读存储器掩膜只读存储器00图图7.2.2 二极管二极管ROM的的电路构造图电路构造图01 10 11011001100存储矩阵存储矩阵011010000110010二极管反偏不通二极管反偏不通接二极管的位置存储接二极管的位置存储 1 ,不接存储不接存储 0存储矩阵存储矩阵11010100接二极

6、管的位置存储接二极管的位置存储 1 ,不接存储不接存储 0存储矩阵存储矩阵00100010接二极管的位置存储接二极管的位置存储 1 ,不接存储不接存储 0存储矩阵存储矩阵10110001接二极管的位置存储接二极管的位置存储 1 ,不接存储不接存储 0译码矩阵译码矩阵001110001000译码矩阵译码矩阵011011000001100图图7.2.2 二极管二极管ROM的电的电路构造图路构造图01 10 11011000110 0010110044位存储器位存储器 数据表数据表图图7.2.3 用用MOS管构成的存储矩阵管构成的存储矩阵1007.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM 在

7、开发数字电路新产品的任务过程中，设计在开发数字电路新产品的任务过程中，设计人员经常需求按照本人的想象迅速得到存有所需人员经常需求按照本人的想象迅速得到存有所需内容的内容的ROM。这时可以经过将所需内容自行写入。这时可以经过将所需内容自行写入PROM而得到要求的而得到要求的ROM。 PROM的总体构造与掩模的总体构造与掩模ROM一样，同样由一样，同样由存储矩阵、地址译码器和输出电路组成。不过在存储矩阵、地址译码器和输出电路组成。不过在出厂时曾经在存储矩阵的一切交叉点上全部制造出厂时曾经在存储矩阵的一切交叉点上全部制造了存储元件，即相当于在一切存储单元中都存人了存储元件，即相当于在一切存储单元中都

8、存人了了1。图7.2.4 熔丝型PROM的存储单元前往前往图7.2.5 PROM管的构造原理图7.2.3 可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器一、一、EPROM ( UVEPROM ) 由于可擦除的可编程由于可擦除的可编程ROM(EPROM)中存储的中存储的数据可以擦除重写，因此在需求经常修正数据可以擦除重写，因此在需求经常修正ROM中中内容的场所它便成为一种比较理想的器件。内容的场所它便成为一种比较理想的器件。 最早研讨胜利并投入运用的最早研讨胜利并投入运用的EPROM是用紫外是用紫外线照射进展擦除的；并被称之为线照射进展擦除的；并被称之为EPROM。因此，。因此，如今一提到如今

9、一提到EPROM就是指的这种用紫外线擦除的就是指的这种用紫外线擦除的可编程可编程ROM ( Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory，简称；，简称；UVEPROM)。 不久又出现了用电信号可擦除的可编程不久又出现了用电信号可擦除的可编程ROM ( Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory，简称，简称E2PROM)。后来又研制胜利的快闪。后来又研制胜利的快闪存储器存储器(Flash Memory)也是一种用电信号擦除的可也是一种用电信号擦除的可编程编程 ROM。一、一、EPR

10、OM( UVPROM) EPROM与前面曾经讲过的与前面曾经讲过的PROM在总体构在总体构造方式上没有多大区别，只是采用了不同的存储造方式上没有多大区别，只是采用了不同的存储单元。单元。 早期早期EPROM的存储单元中运用了浮栅雪崩的存储单元中运用了浮栅雪崩注入注入MOS管管(Floating-gate Avalanche-Injuction Metal-Oxide-Semiconductor，简称，简称FAMOS管管)，它的构造表示图和符号如图它的构造表示图和符号如图 7.2.6所示。所示。 图7.2.6 FAMOS管的构造和符号 FAMOS管本身是一个管本身是一个P沟道加强型的沟道加强型的

11、MOS管，但栅极管，但栅极“浮置于浮置于SiO2层内，与其他部分均层内，与其他部分均不相连，处于完全绝缘的形状。假设在它的漏极不相连，处于完全绝缘的形状。假设在它的漏极和源极之间加上比正常任务电压高得多的负电压和源极之间加上比正常任务电压高得多的负电压 (通常为通常为45V左右左右)，那么可使漏极与衬底之间，那么可使漏极与衬底之间的的PN结产生雪崩击穿，耗尽区里的电子在强电结产生雪崩击穿，耗尽区里的电子在强电场作用下以很高的速度从漏极的场作用下以很高的速度从漏极的P+区向外射出，区向外射出，其中速度最快的一部分电子穿过其中速度最快的一部分电子穿过SiO2层而到达浮层而到达浮置栅，被浮置栅俘获而

12、构成栅极存储电荷。这个置栅，被浮置栅俘获而构成栅极存储电荷。这个过程就叫做雪崩注入。过程就叫做雪崩注入。 漏极和源极间的高电压去掉以后，由于注入漏极和源极间的高电压去掉以后，由于注入到栅极上半导体存储器的电荷没有放电通路，所到栅极上半导体存储器的电荷没有放电通路，所以能长久保管下来。在以能长久保管下来。在 + 125的环境温度下，的环境温度下，70以上的电荷能保管以上的电荷能保管10年以上。在栅极获得足够年以上。在栅极获得足够的电荷以后，漏的电荷以后，漏源间便构成导电沟道，使源间便构成导电沟道，使FAMOS管导通。管导通。 假设用紫外线或假设用紫外线或X射线照射射线照射FAMOS管的栅极管的栅

13、极氧化层，那么氧化层，那么SiO2层中将产生电子层中将产生电子空穴对，为空穴对，为浮置栅上的电荷提供泄放通道，使之放电。待栅浮置栅上的电荷提供泄放通道，使之放电。待栅极上的电荷消逝以后，导电沟道也随之消逝，极上的电荷消逝以后，导电沟道也随之消逝，FAMOS管恢复为截止形状。这个过程称为擦除。管恢复为截止形状。这个过程称为擦除。擦除时间约需擦除时间约需2030分钟。为便于擦除操作，在分钟。为便于擦除操作，在器件外壳上装有透明的石英盖板。在写好数据以器件外壳上装有透明的石英盖板。在写好数据以后应运用不透明的胶带将石英盖板遮盖，以防止后应运用不透明的胶带将石英盖板遮盖，以防止数据丧失。数据丧失。图7

14、.2.7 运用FAMOS管的存储单元图7.2.8 SIMOS管的构造和符号前往前往图7.2.9 运用SIMOS管的256 1位EPROM前往前往图7.2.10 Flotox管的构造和符号前往前往图7.2.11 E2 PROM的存储单元前往前往图7.2.12 E2 PROM存储单元的三种任务形状a读出形状 b擦除写1形状 c写入写0形状前往前往图7.2.13 快闪存储器中的叠栅MOS管前往前往图7.2.14 快闪存储器的存储单元前往前往7.3 随机存储器RAM图7.3.1 SRAM的构造框图图7.3.2 1024x4位RAM2114的构造框图图7.3.3 六管NMOS静态存储单元图7.3.4 六

15、管CMOS静态存储单元图7.3.5 双极型RAM 的静态存储单元图7.3.6 四管动态MOS存储单元图7.3.7 三管动态MOS存储单元图7.3.8 单管动态MOS存储单元图7.3.9 DRAM中的灵敏恢复/读出放大器图7.3.10 灵敏恢复/读出放大器的读出过程a读出0的情况b读出1的情况图7.3.11 DRAM的总体构造框图前往前往图7.3.1 SRAM的构造框图前往前往图7.3.2 1024 4位RAM2114的构造框图前往前往图7.3.3 六管NMOS静态存储单元前往前往图7.3.4 六管CMOS静态存储单元前往前往图7.3.5 双极型RAM 的静态存储单元前往前往图7.3.6 四管动

16、态MOS存储单元前往前往图7.3.7 三管动态MOS存储单元前往前往图7.3.8 单管动态MOS存储单元前往前往图7.3.9 DRAM中的灵敏恢复/读出放大器前往前往图7.3.10 灵敏恢复/读出放大器的读出过程 a读出0的情况 b读出1的情况前往前往图7.3.11 DRAM的总体构造框图前往前往7.4 存储器容量的扩展 图7.4.1 RAM的位扩展接法 图7.4.2 RAM的字扩展接法前往前往图7.4.1 RAM的位扩展接法前往前往图7.4.2 RAM的字扩展接法前往前往7.5 用存储器实现组合逻辑函数 图7.5.1 例7.5.1的电路 图7.5.2 例7.5.2的ROM点阵图前往前往图7.5.1 例7.5.1的电路前往前往图7.5.2 例7.5.2的ROM点阵图前往前往7.6 串行存储器图7.6.1 用静态移位存放器组成的串行存储器图7.6.2 后进先出型串行存储器的构造框图图7.6.3 串、并联构造的先进先出型串行存储器图7.6.4 有比型动态MOS反相器图7.6.5 两相有比型动态MOS移位存放单元a电路构造b任务波形图7.6.6 无比型动态MOS反相器图7.6.7 两相无比型动态MOS移位存放单元a电路构造b任务波形图7.6.8 改良的两相无比型动态MOS移位存放单元 a电路构造b任务波形图7.6.9 动态CMOS移位存放单元 a电路构造b任务波形前往前往图7.6.1