第7章半导体存储器

1、第7章半导体存储器7.1 概述概述1. 1. 存储器存储器n定义：存储大量二值信息（或称为二值数据）定义：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。的半导体器件。n用途：在计算机或数字系统中存储数据用途：在计算机或数字系统中存储数据 。n与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包与寄存器的区别：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，因此内部有地界联系。每个字分配一个地址，因此内部有地址译码器。址译码器。7.1 概述概述随机存储器随机存储器RAM （Random Access Memory）按按功功能能

2、只读存储器只读存储器ROM（Read- Only Memory）只能读出不能只能读出不能写入写入,断电不失断电不失n 分类：分类：掩模掩模ROM可编程可编程ROM（PROM）(Programmable ROM)(Erasable PROM)ROM可擦除可编程可擦除可编程ROM（EPROM）UVEPROMEEPROMFlash Memory电可擦除电可擦除(Electrically)紫外线擦除紫外线擦除(Ultra-Violet)快闪存储器快闪存储器静态存储器静态存储器SRAM (Static RAM)动态存储器动态存储器DRAM (Dynamic RAM)还可以按制造工艺分为双极型和还可以按制

3、造工艺分为双极型和MOS型两种。型两种。 主要指标：主要指标：存储容量、存取速度。存储容量、存取速度。 存储容量存储容量: 用字数用字数位数表示，也可只用位数表示。如，位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为某动态存储器的容量为109位位/片。片。7.1 概述概述RAM 存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储存取速度：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器的存取时间仅有10ns左右。左右。NoImage一、掩模只读存储器一、掩模只读存储器 又称为固定又称为固定ROM。工厂按用户要求生产出来后，用户不。工厂按用户要求生产出来后，用户不能改动。能改动。1.

4、ROM的构成的构成7.2 只读存储器只读存储器ROM存储矩阵：由若干存储单元排列成矩阵形式。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、双极性三极管或储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。管构成。地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。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。便和系统的总线相连。7.2 只读存储器只读存储器ROM7.2 只读存储器只读存储器ROM1

5、. 工作原理工作原理NoImage二四线二四线译码器译码器A1,A0的四的四个最小项个最小项字线字线位线位线 以以2位地址输入和位地址输入和4为数据输出的为数据输出的ROM为为例，其存储矩阵是四例，其存储矩阵是四组二极管或门：组二极管或门：当当EN=0时时，iiDDD1= D3 = A0D0 = W1+ W0 = A1D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0D2= W1= A1+A0地址与存储数据对应关系表地址与存储数据对应关系表7.2 只读存储器只读存储器ROM地地 址址数数 据据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01

6、1 1 07.2 只读存储器只读存储器ROMNoImage 用用MOS工艺制造的工艺制造的ROM的存储矩阵如图所示：的存储矩阵如图所示：二、可编程只读存储器二、可编程只读存储器PROM 产品出厂时存的全是产品出厂时存的全是1，用，用户可一次性写入，即把某些户可一次性写入，即把某些1改为改为0。但不能多次擦除。但不能多次擦除。 存储单元多采用熔丝低存储单元多采用熔丝低熔点金属或多晶硅。写入时设熔点金属或多晶硅。写入时设法在熔丝上通入较大的电流将法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。熔丝烧断。编程时编程时VCC和和字线电压提高字线电压提高7.2 只读存储器只读存储器ROMNoImage16字字8位的

7、位的PROM十六条字线十六条字线八八条条位位线线 读出时，读出放读出时，读出放大器大器AR工作，写入放工作，写入放大器大器AW不工作。不工作。 写入时，在位线写入时，在位线输入编程脉冲使写入输入编程脉冲使写入放大器工作，且输出放大器工作，且输出低电平，同时相应的低电平，同时相应的字线和字线和VCC提高到编提高到编程电平，将对应的熔程电平，将对应的熔丝烧断。丝烧断。缺点：不能重复擦除。缺点：不能重复擦除。7.2 只读存储器只读存储器ROM7.2 只读存储器只读存储器ROM三、可擦除的可编程只读存储器（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（一）紫外线擦除的只读存储

8、器（UVEPROM）最早出现的最早出现的EPROM。通常说的。通常说的EPROM就是指这种。就是指这种。 1. 使用使用FAMOS管（管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，浮栅雪崩注入，浮栅雪崩注入MOS管）管） 写入：管子原来不导写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较通。在漏源之间加上较高电压后（如高电压后（如-20V），），漏极漏极PN结雪崩击穿，部结雪崩击穿，部分高速电子积累在浮栅分高速电子积累在浮栅上，使上，使MOS管导通。管导通。7.2 只读存储器只读存储器ROM 擦除：用紫外线或擦除：用紫外线或X射线擦射线擦除。需除。需2030分钟。分钟。

9、 缺点：需要两个缺点：需要两个MOS管；管；编程电压偏高；编程电压偏高；P沟道管的沟道管的开关速度低。开关速度低。 浮栅上电荷可长期保存浮栅上电荷可长期保存在在125环境温度下，环境温度下，70%的电荷能保存的电荷能保存10年以上。年以上。存储单元图存储单元图 用用N沟道管；增加沟道管；增加控制栅。控制栅。 SIMOS管原来可管原来可导通，开启电压约为导通，开启电压约为2V。 注入电荷：在注入电荷：在DS间加高电压，同时在控制栅加间加高电压，同时在控制栅加25V、50mS宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压相对较小。注入电荷后其开启电压达

10、电压相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导，不能正常导通。通。 2. 使用管使用管SIMOS(Stacked-gate Injuction MOS，叠栅，叠栅注入注入MOS管管)7.2 只读存储器只读存储器ROMNoImage 这是一种双这是一种双译码方式，行译码方式，行地址译码器和地址译码器和列地址译码器列地址译码器共同选中一个共同选中一个单元。每个字单元。每个字只有一位。只有一位。7.2 只读存储器只读存储器ROM（二）电可擦除（二）电可擦除EPROM(EEPROM或或E2ROM) 用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存储器件

11、，使得可以用电信号进行擦除。储器件，使得可以用电信号进行擦除。 使用浮栅隧道氧化层使用浮栅隧道氧化层MOS管管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)7.2 只读存储器只读存储器ROMNoImageGCGf漏极漏极写入（写写入（写0）擦除（写擦除（写1）读出读出 特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（20纳米以下），纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大于称为隧道区。当隧道区电场大于107V/cm时隧道区双向导时隧道区双向导通。通。 当隧道区的等效电容极小时，加在控制栅和漏极间的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

12、在隧道区，有利于隧道区导通。电压大部分降在隧道区，有利于隧道区导通。存储单元：存储单元：擦除和写入均擦除和写入均利用隧道效应利用隧道效应10ms7.2 只读存储器只读存储器ROM7.2 只读存储器只读存储器ROM EEPROM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单元需两只长；存储单元需两只MOS管。管。（三）快闪存储器（三）快闪存储器(Flash Memory)采用新型隧道氧化层采用新型隧道氧化层MOS管。管。 隧道层在源区；隧道层在源区； 隧道层更薄隧道层更薄(1015nm)。在控制栅和。在控制栅和源极间加源极间加12V电压即电压即可使隧道导通。可

13、使隧道导通。 特点：特点：7.2 只读存储器只读存储器ROM 存储单元的工作原理：存储单元的工作原理： （1）写入利用雪崩注入法。）写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接源极接地；漏极接6V；控制栅；控制栅12V脉冲，宽脉冲，宽10 s。 （2）擦除用隧道效应。控制）擦除用隧道效应。控制栅接地；源极接栅接地；源极接12V脉冲，宽为脉冲，宽为100ms。因为片内所有叠栅管的。因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元。冲就可擦除全部单元。 （3）读出：源极接地，字线为）读出：源极接地，字线为5V逻辑高电平。逻辑高电平。 快闪存储器特点：快闪存储器特点

14、：集成度高，容量大，成本低，使用集成度高，容量大，成本低，使用方便。已有方便。已有64兆位产品问世。很有发展前途。兆位产品问世。很有发展前途。NoImage7.3 随机存储器（随机存储器（RAM）一、静态随机存储器一、静态随机存储器SRAM 特点：特点：RAM在工作时可随时对任意指定单元进行读或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，所存信息就会写操作。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。分为静态随机存储器丢失。分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器和动态随机存储器DRAM两种，也可称为读写存储器。两种，也可称为读写存储器。（一）（一）RAM的

15、结构的结构1. 存储矩阵存储矩阵2. 地址译码：双译码。地址译码：双译码。3. 读写控制电路：读写控制电路： 片选信号片选信号CS：控制：控制I/O端是端是否处在高阻状态。否处在高阻状态。 读写控制信号读写控制信号R/ W：控制电：控制电路处于读出还是写入状态。路处于读出还是写入状态。NoImage1024字字4位（位（2114）SRAM结构结构NoImage（二）静态（二）静态RAM的存储单元的存储单元1.六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元7.3 随机存储器（随机存储器（RAM）2.六管六管CMOS静态存储单元静态存储单元3.双极型静态存储单元双极型静态存储单元7.3 随机存储器（随机

16、存储器（RAM）7.3 随机存储器（随机存储器（RAM）NoImage（三）动态（三）动态RAM的存储单元的存储单元 利用利用MOS管栅极电容管栅极电容可以暂存电荷的原理制成。可以暂存电荷的原理制成。因此，存储单元简单，存因此，存储单元简单，存储容量大。但栅极电容很储容量大。但栅极电容很小，由于漏电的影响，电小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很短。必容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电刷新、须定时给电容充电刷新、再生。这就需要外围电路再生。这就需要外围电路配合。配合。7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展一、位扩展方式一、位扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=8例：用例：用1024字字1位位RAM构成构成1024字字8位位RAM.NoImage 方法：方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和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。读写信号）。输出并列。7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展二、字扩展方式二、字扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储