数字电子技术基础7半导体存储器

1、7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 只读存储器只读存储器( ROM )( ROM )7.3 7.3 随机存储器随机存储器( RAM )( RAM ) 7.4 7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.5 7.5 用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数第七章第七章 半导体存储器半导体存储器内容提要内容提要 本章系统地介绍各种半导体存储器的工本章系统地介绍各种半导体存储器的工作原理及其应用。作原理及其应用。重点内容有：重点内容有： 1、存储器的基本工作原理、分类和每种、存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特点；类型存储器的特点； 2、扩展存储器容量的方法；、扩展存储器容量的

2、方法； 3、用存储器设计组合逻辑电路的原理和、用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。方法。7.1 概概 述述 半导体存储器是能存储二值信息半导体存储器是能存储二值信息（0 0、1 1）的半导体器件，属的半导体器件，属大规模大规模集成电路，是进集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。一步完善数字系统功能的重要部件。 存储器的存储器的重要指标：重要指标：存储量和存取速度。存储量和存取速度。 结构特点：结构特点：给每个存储单元编一个地址给每个存储单元编一个地址，只有被输入地址代码指定的那些单元才能与，只有被输入地址代码指定的那些单元才能与公共的输入公共的输入/ /输出引脚接通，进行数据的读出输

3、出引脚接通，进行数据的读出和写入。和写入。 半导体存储器从半导体存储器从制造工艺制造工艺上分为上分为: : (1)(1)双极型存储器双极型存储器 (2)MOS (2)MOS型存储器型存储器 鉴于鉴于MOS电路具有功耗低、集成度高电路具有功耗低、集成度高的优点，的优点，目前，大容量的存储器都是采用目前，大容量的存储器都是采用MOS工艺制作的。工艺制作的。(2) 随机存储器随机存储器( RAM )(1) 只读存储器只读存储器( ROM ) 半导体存储器从半导体存储器从存、取功能存、取功能上分为：上分为：7. 2 只读存储器只读存储器( ROM ) 按按工艺工艺分分二极管二极管ROMMOS型型ROM

4、双极型双极型ROM按按存储存储机理机理分分固定固定ROM(掩膜式掩膜式ROM)EPROM（光可擦除可编程存储器）（光可擦除可编程存储器）PROM（一次可编程存储器）（一次可编程存储器）E2PROM （电可擦除可编程存储器）（电可擦除可编程存储器）快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)(Flash Memory) 只读存储器在正常工作状态下只读存储器在正常工作状态下只能读取数只能读取数据，不能快速修改或写入数据。据，不能快速修改或写入数据。优点：优点：电路结构简单，断电数据不会丢失。电路结构简单，断电数据不会丢失。7. 2 只读存储器只读存储器( ROM )7. 2. 1 掩模掩模只读

5、存储器只读存储器 ROM的电路结构主要由的电路结构主要由地址译码器地址译码器、存储存储矩阵矩阵和和输出缓冲器输出缓冲器三部分组成。三部分组成。A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器EN存储存储矩阵矩阵输出输出缓冲缓冲器器字线字线位线位线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0译译码码器器A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器假设假设 ：A1A0 1110001100ENA1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器1100及及 时时归归 纳纳1当某一字线当某一字线被选中时，被选中时，这个字

6、线与这个字线与位线间若接位线间若接有二极管，有二极管，则该位线输则该位线输出为出为 1 ，否，否则为则为0。EN假设假设 ：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器0101A1A0 10EN假设假设 ：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器0101A1A0 01EN假设假设 ：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器0011A1A0 001111EN000101111111111000000001地地 址址A1A0D3D2D1D0内内 容容位线位线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A

7、0D3D2D1D0-VCC译译码码器器 字线字线 输入任意一个输入任意一个地址码，译码器地址码，译码器就可使与之对应就可使与之对应的某条字线为高的某条字线为高电平，进而可以电平，进而可以从位线上读出四从位线上读出四位输出数字量。位输出数字量。EN图图7.2.3是使是使用用 MOS 管的管的ROM 矩阵：矩阵：字线与位线字线与位线的交叉点上的交叉点上有有 MOS 管管时相当于存时相当于存1，无无 MOS 管时相当于管时相当于存存0。7. 2. 2 可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM） 是一种可编程序的是一种可编程序的 ROM ，在出厂时，在出厂时全部存储全部存储 “1”，用户可根据需要

8、将某些，用户可根据需要将某些单元改写为单元改写为 “0”, 然而只能改写一次，然而只能改写一次，称其为称其为 PROM。 若将熔丝烧断，若将熔丝烧断，该单元则变成该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后显然，一旦烧断后不能再恢复。不能再恢复。图图7.2.4 熔丝型熔丝型PROM的存储单元的存储单元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EPROM:紫外线可擦除的可编程只读存储器紫外线可擦除的可编程只读存储器 (简称简称UVEPROM)E2PROM:电可擦除的电可擦除的可编程只读存储器可编程只读存储器Flash Memory：快闪存储器快闪存储器1) 1) 存储单元存储单元-叠栅

9、叠栅MOSMOS管（管（SIMOSSIMOS）原理：原理：利用浮栅是否积累负电利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。荷来存储数据。在写入数据前：在写入数据前：浮栅无电子，浮栅无电子，SIMOSSIMOS管同正常管同正常MOSMOS管，开管，开启电压为启电压为V VT T ；写数据时，需在漏、栅；写数据时，需在漏、栅极之间加足够高的电压（如极之间加足够高的电压（如25V25V）使漏）使漏极与衬底之间的极与衬底之间的PNPN结反向击穿，产生大结反向击穿，产生大量的高能电子。这些电子穿过氧化绝缘量的高能电子。这些电子穿过氧化绝缘层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负电层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负电荷。浮栅

10、有电子后，控制栅需要加更大荷。浮栅有电子后，控制栅需要加更大正压才能使管子开启，开启电压为正压才能使管子开启，开启电压为V VT T。N+N+ g 浮栅 g 控制栅极SD-+P型衬底VgsiD0VT VT 1. EPROM:紫外线可擦除紫外线可擦除只读存储器只读存储器符号符号1. EPROM: 擦除时，用紫外光照射其透明的石英盖擦除时，用紫外光照射其透明的石英盖板板1020分钟，浮栅上的电子形成光电流分钟，浮栅上的电子形成光电流而泄放，其内部的数据将而泄放，其内部的数据将全部擦除全部擦除了，这了，这时可以再通过专用的编程器写入希望的数时可以再通过专用的编程器写入希望的数据。据。 由于浮栅被绝缘

11、二氧化硅包围，浮栅上由于浮栅被绝缘二氧化硅包围，浮栅上电荷没有放电回路，信息不会丢失，这种存电荷没有放电回路，信息不会丢失，这种存储的信息可能安全保存储的信息可能安全保存20年以上，但为了防年以上，但为了防止平时日光中的紫外线的照射，在其石英窗止平时日光中的紫外线的照射，在其石英窗口上帖上黑纸。口上帖上黑纸。N+N+ g 浮栅 g 控制栅极SD-+P型衬底2. E2PROM: 电可擦除的电可擦除的PROM E2PROM是在是在EPROM的基础上开发出的基础上开发出来的，可以在加电的情况下来的，可以在加电的情况下以以字节字节为单位进为单位进行擦除和改写行擦除和改写, ,并可直接在机器内进行擦除并

12、可直接在机器内进行擦除和改写和改写, ,方便灵活。方便灵活。 E2PROM内部电路与内部电路与EPROM电路类似电路类似,在在SIMOS中的结构进行了一些调整，在浮栅中的结构进行了一些调整，在浮栅延长区与漏区延长区与漏区N+之间的交叠处的薄绝缘层相之间的交叠处的薄绝缘层相当于一个当于一个遂道二极管遂道二极管（见图（见图7.2.10），该），该MOS管也称为隧道管也称为隧道MOS管。管。 E2PROM不需要紫外光激发放电，即擦除和不需要紫外光激发放电，即擦除和编程只须加电就可以完成了，且写入的电流很编程只须加电就可以完成了，且写入的电流很小。小。 原理：原理：利用浮栅是否积累负电荷来存储数利用浮

13、栅是否积累负电荷来存储数据。据。在在D D、G G正向电压正向电压作用下，漏极电荷通过该作用下，漏极电荷通过该二极管流向浮栅，使管子导通；若二极管流向浮栅，使管子导通；若D D、G G加加反向反向电压电压，浮栅上的电荷流回漏极，起擦除作用，浮栅上的电荷流回漏极，起擦除作用，擦除电压大小与工作电压相同擦除电压大小与工作电压相同N+N+ G 浮栅 G 控制栅极SD-+P型衬底 是是8080年代末推出的新型存储芯片年代末推出的新型存储芯片, ,它的主要特点它的主要特点是在掉电情况下可长期保存信息是在掉电情况下可长期保存信息, ,具有非易失性，原具有非易失性，原理上看象理上看象ROMROM；但又能在线

14、进行快速擦除与改写；但又能在线进行快速擦除与改写, ,功功能上象能上象RAM,RAM,因此兼有因此兼有E E2 2PROMPROM和和SRAMSRAM的优点。的优点。3 3、快闪存储器、快闪存储器(Flash Memory)(Flash Memory)N+N+ g 浮栅 g 控制栅极SD-+P型衬底 内部电路与内部电路与EPROM电电路类似路类似,在在SIMOS中的结构中的结构进行了一些调整。进行了一些调整。 原理：原理：利用浮栅是否积利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。数据累负电荷来存储数据。数据写入写入与与EPROM 相同；相同；数数据擦除，据擦除，在源极加正电压，在源极加正电压，使浮栅放电

15、，按扇区擦除。使浮栅放电，按扇区擦除。 FlashFlash有单片应用和固态盘应用，固态有单片应用和固态盘应用，固态盘分卡式和盘式两种。闪速卡盘分卡式和盘式两种。闪速卡, ,用在可移动用在可移动计算机中计算机中, ,如数字相机如数字相机, ,手机手机,CD-ROM,CD-ROM等。闪等。闪速固态盘速固态盘, ,用于恶略环境中代替硬盘。用于恶略环境中代替硬盘。 读取速度较快读取速度较快(100ns(100ns左右左右),),低功耗低功耗, ,改写改写次数目前达次数目前达100100万次万次, ,价格接近价格接近EPROMEPROM。存储。存储容量从几十容量从几十KB, KB, 到几十到几十MBM

16、B、几、几GBGB等。等。体积小体积小, ,可靠性高可靠性高, ,内部无可移动部分内部无可移动部分, ,无噪声无噪声, ,抗震抗震动力强动力强, ,是小型硬盘的代替品是小型硬盘的代替品。7. 3 随机存储器随机存储器( RAM )随机随机存储器又称存储器又称读写存储器读写存储器。 随机随机存储器的存储器的特点特点是：在工作过程中，是：在工作过程中，可随时从存储器的任何指定地址读出数据，可随时从存储器的任何指定地址读出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去。储单元中去。 按存储机理主要可分为按存储机理主要可分为 静态静态RAM 、动态动态RAM两

17、类；静态和动态两类；静态和动态RAM是是易失易失性性存储器，在供电电压中断时，存储内容存储器，在供电电压中断时，存储内容丢失。丢失。W3W2W1W0地地址址译译码码器器读写读写 及及 输入输入/输出控制输出控制I / O1I / O0CSR / WA0A1D1D1D0D0存存储储矩矩阵阵7. 3. 1静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）(1) 存储矩阵：存储矩阵：存储器容量存储器容量= 字数字数字长字长如一个如一个1024 4存储器，有存储器，有4096个存储单元。个存储单元。可设计成可设计成64 64的矩阵形式。的矩阵形式。(2) 地址译码：地址译码： 存储单元中每个存储单元中每个字字

18、有唯一的地址，利有唯一的地址，利用地址译码器进行地址选择。用地址译码器进行地址选择。大容量的大容量的 存储器中，一般采用双译码结构：存储器中，一般采用双译码结构：行地址译码器行地址译码器 + 列地址译码器列地址译码器存储器的容量存储器的容量指的是每个存储芯片所能存指的是每个存储芯片所能存储的二进制数的位数。储的二进制数的位数。行行地址译码器地址译码器产生产生行行选择线选择线列列地址译码器地址译码器产生产生列列选择线选择线1024 4(64 16 4)的的存储器的地址线：存储器的地址线：6根行地址线：根行地址线：(A8A7A6A5A4A3)4根列地址线根列地址线: (A9A2A1A0)译码产生译

19、码产生64根行根行选择线选择线译码产生译码产生16根列根列选择线选择线若若A9A8A7A6A5 A4A3A2A1A0=0111111000，则选中则选中Y0和和X63。VDDVGGWiDDI/OR / W111T2T3T4T5T6QQT1字线字线数数据据线线数数据据线线二、二、 SRAM静态存储单元静态存储单元:WiDD符号符号1VDD介绍静态介绍静态RAM存储单元的工作原理存储单元的工作原理:VGGWiDDI/OR / W111T2T3T4T5T6QQT1字线字线数数据据线线数数据据线线 由增强型由增强型 NMOS管管T1和和 T2、T3和和T4 构构成一个基本成一个基本 R-S触发器，触发

20、器， 它是它是存储信息的基存储信息的基本单元。本单元。 VGGT2T1T3T4VDD静态静态RAM特特点点是：是：数据由触发数据由触发器记忆！器记忆！1VGGWiDDI/OR / W111T2T3T4T5T6QQT1字线字线数数据据线线数数据据线线 T5和和T6是是门控管，门控管， 由字由字线线Wi控制其导控制其导通或截止：通或截止： Wi1 ，否则就截止。否则就截止。T5T6两管导通；两管导通； 门控管门控管T5和和T6导通时可导通时可以进行以进行“读读”或或“写写”的操的操作。作。VDD1VGGWiDDI/OR / W123T2T3T4T5T6T1字线字线数数据据线线数数据据线线 R /

21、W的控制作用：的控制作用： = 0时，时，R/W而门而门2处于处于高阻状态，高阻状态，0三态门三态门1、3接通，接通，00 使使 I/O 信信号得以经号得以经过门过门1、3送到数据送到数据线上，以线上，以便便写入写入 。VDDVGGWiDDI/OR / W123T2T3T4T5T6T1字线字线数数据据线线数数据据线线 R / W的控制作用：的控制作用：R/W 1 时，时，门门1、3处于处于高阻状态，高阻状态，1门门2接通，接通，1将数据线将数据线上信号送上信号送到到 I / O，以便以便读出读出。1VDD*7.3.2 动态随机存储器（动态随机存储器（DRAM） 为减少为减少MOSMOS管数目管

22、数目, ,提高集成度和降低功提高集成度和降低功耗耗, ,出现了动态出现了动态RAMRAM器件。器件。 常见的动态常见的动态RAM存储单元有三管和单存储单元有三管和单管动态存储电路。管动态存储电路。见书图见书图7.3.7、图、图7.3.8 动态动态RAM存储数据的原理是基于存储数据的原理是基于MOS管管栅极电容的电荷存储效应栅极电容的电荷存储效应。 即即存放信息靠的是存放信息靠的是电容电容, , 由于电容会逐渐放电由于电容会逐渐放电, ,故需对动态故需对动态RAMRAM不断进行读出和再写入不断进行读出和再写入, ,这就是所谓这就是所谓刷新。刷新。静态静态RAM(RAM(即即SRAM),SRAM)

23、,其存储电路以双稳态触发器其存储电路以双稳态触发器为基础为基础, ,状态稳定状态稳定, ,只要不掉电只要不掉电, ,信息不会丢失信息不会丢失, ,但但集成度低。集成度低。动态动态RAM(RAM(即即DRAM),DRAM),存储单元电路以电容为基础存储单元电路以电容为基础, ,电路简单电路简单, ,集成度高集成度高, ,功耗低功耗低, ,因电容漏电因电容漏电, ,需定时需定时刷新。刷新。小小 结结7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R / WRAM 2114 管脚图管

24、脚图2345678910232221201918171615A0A1D0A3A4A5A6A9A10CSGNDVCCD3D2D1D4RAM 6116 管脚图管脚图A2A711112141324A8D5D6D7RDWR(1K4)(2K8)7.4.1 位扩展位扩展 方式方式A9A0R/W CSD1D3D2D0A9A0R/W CSD1D3D2D0. . . . .2114 (2)2114 (1).A0A9D7D6D5D4D1D3D2D0CSR/W用两片用两片2114( 1024 4 )构成构成 1024 8 只要把只要把各片各片地址线、各控制线对应并联地址线、各控制线对应并联在一起，在一起， 要达到这

25、个目的方法很简单，要达到这个目的方法很简单，示范接线如下图：示范接线如下图：7.4.2 字扩展字扩展 方式方式思路：思路： ( 1) 访问访问4096个字单元，个字单元，必然有必然有 12 根地址线；根地址线； ( 2) 访问访问 RAM2114，只需只需 10 根地址线，尚余根地址线，尚余 2根地址线根地址线 ； ( 3) 设法用设法用剩余的剩余的 2根根地址线去控制地址线去控制4个个2114的的片片选端选端 。 通过用通过用10244 ( 4片片2114 ) 构成构成40964为例，介绍为例，介绍 解决这类问题的解决这类问题的办法。办法。CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0

26、D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32 4译译码码器器A11A10A0A9D3D2D1D02114 (1)2114 (2)2114 (3)2114 (4)R/WY0Y3用四片用四片 RAM 2114 构成构成 4096 4 的存储容量的存储容量A11A10选中片序号选中片序号对应的存储单元地址对应的存储单元地址 0 0 1 1 1 0 0 12114(1)2114(2)2114(3)2114(4)00 0000000000 00 11111111111024 20472048 3071 3072 4095CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32114 (1)2114 (2)2114 (3)2114 (4)01 0000000000 01 111111111110 0000000000 10 111111111111 0000000000 11 11111111110 10237. 5用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数 ROM ROM的的译码器输出包含了输入变量全部的最小的的译码器输出包含了输入变量全部的最小项项, ,而每一位数