第八章半导体存储器

1、第第8章章 半导体存储器半导体存储器 8.1 概述概述8.2 只读存储器只读存储器8.3 随机存取存储器随机存取存储器 数字系统中用于存储大量二进制信息的器件是存储器。穿孔卡片纸带磁芯存储器半导体存储器半导体存储器的优点：半导体存储器的优点：容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等。 半导体存储器半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够是一种由半导体器件构成的能够存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。用存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。用于计算机的内存及数字系统存储部件。于计算机的内存及数字系统存储部件。6.1 概述概述 8.1.1 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及

2、分类 分成分成TTL和和MOS存储器两大类。存储器两大类。TTL型速度快，型速度快，MOS型工艺简单、集成度高、功耗低、成本低型工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等特点。等特点。按制造工艺不同分类：按制造工艺不同分类：8.1 概述概述 按存储信号的原理不同：按存储信号的原理不同：分为静态存储器静态存储器和动态存储器动态存储器两种。8.1.1 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及分类静态存储器静态存储器是以触发器为基本单元来存储是以触发器为基本单元来存储0和和1的，的，在不失电的情况下，触发器状态不会改变；在不失电的情况下，触发器状态不会改变；动态存储器动态存储器是用电容存储电荷的效应来

3、存储二值信是用电容存储电荷的效应来存储二值信号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对电容进行充电或放电。电容进行充电或放电。 称为称为刷新刷新。动态存储器都。动态存储器都为为MOS型。型。按工作特点不同：按工作特点不同：分成分成只读只读存储器（存储器（Read-Only Memory，简，简称称ROM）和）和随机存取随机存取存储器（存储器（Random Access Memory，简称，简称RAM） 。8.1 概述概述 8.1.1 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及分类半导体存储器的分类如图所示。半导体存储器的分类如图所示。 半导体存储

4、器主要是用作微型计算机中的内存半导体存储器主要是用作微型计算机中的内存储器，用于存放系统中的程序和数据。此外，也可储器，用于存放系统中的程序和数据。此外，也可用来构成组合逻辑电路。用来构成组合逻辑电路。 8.1.2 半导体存储器的主要技术指标：半导体存储器的主要技术指标：半导体存储器有两个主要技术指标两个主要技术指标 - 存储容量存储容量和存取时间存取时间。1、存储容量、存储容量： 存储器中存储单元个数存储器中存储单元个数叫叫存储容量存储容量，即存放二进制信息的多少。即存放二进制信息的多少。存储器中二值代码都是以字的形式出现的。一存储器中二值代码都是以字的形式出现的。一个字的位数称做个字的位数

5、称做字长字长。例如，例如，16位构成一个字，该字的字长为位构成一个字，该字的字长为16位。位。一个存储单元只能存放一位二值代码，要存储字一个存储单元只能存放一位二值代码，要存储字长为长为16的一个字，就需要的一个字，就需要16个存储单元。若存储个存储单元。若存储器能够存储器能够存储1024个字，就得有个字，就得有102416个存储单个存储单元。元。通常，通常，存储容量存储容量应表示为应表示为字数字数位数。位数。例如，某存储器能存储例如，某存储器能存储1024个字个字 ，每个字，每个字4位，位，那它的存储容量就为那它的存储容量就为10244=4096，即该存，即该存储器有储器有4096个存储单元

6、。个存储单元。存储器写入（存）或者读出（取）时，每次存储器写入（存）或者读出（取）时，每次 只能写入或读出一个字。若字长为只能写入或读出一个字。若字长为8位，每位，每 次必须选中次必须选中8个存储单元。个存储单元。选中哪些存储单选中哪些存储单 元，由地址译码器的输出来决定。即由地址元，由地址译码器的输出来决定。即由地址 码来决定。码来决定。地址码的位数地址码的位数n与字数之间存在与字数之间存在2n=字数字数的的关系。如果某存储器有十个地址输入端，关系。如果某存储器有十个地址输入端，那它就能存那它就能存210=1024个字。个字。2、存取周期、存取周期 连续两次读（写）操作间隔的最短时连续两次读

7、（写）操作间隔的最短时间称为间称为存取周期存取周期。 （2）一次性可编程一次性可编程ROM（PROM）。）。出厂时，存出厂时，存 储内容全为储内容全为1（或全为（或全为0），用户可根据自己的），用户可根据自己的 需要编程，但只能编程一次。需要编程，但只能编程一次。8.2 只读存储器只读存储器(ROM) 一一 ROM的分类的分类按照数据写入方式特点不同，按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：可分为以下几种：（1）固定固定ROM。厂家把数据写入存储器中，用厂家把数据写入存储器中，用 户无法进行任何修改。户无法进行任何修改。（3）光可擦除可编程光可擦除可编程ROM（EPROM）。采用浮。采

8、用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。线照射而被擦除，可多次编程。（5）快闪存储器（快闪存储器（Flash Memory）。也是采用浮。也是采用浮栅型栅型MOS管，存储器中数据的擦除和写入是分开管，存储器中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与进行的，数据写入方式与EPROM相同，一般一相同，一般一只芯片可以擦除只芯片可以擦除/写入写入100次以上。次以上。（4）电可擦除可编程电可擦除可编程ROM（E2PROM）。也是采。也是采用浮栅技术生产的可编程用浮栅技术生产的可编程ROM，但是构成其存，但是构成其存储单元

9、的是隧道储单元的是隧道MOS管，是用电擦除，并且擦除管，是用电擦除，并且擦除的 速 度 要 快 的 多 （ 一 般 为 毫 秒 数 量 级 ） 。的 速 度 要 快 的 多 （ 一 般 为 毫 秒 数 量 级 ） 。E2PROM的电擦除过程就是改写过程，它具有的电擦除过程就是改写过程，它具有ROM的非易失性，又具备类似的非易失性，又具备类似RAM的功能，可的功能，可以随时改写（可重复擦写以随时改写（可重复擦写1万次以上）。万次以上）。8.2 8.2 只读存储器（只读存储器（ROM） 1. 1. 固定固定ROM 只读存储器所存储的内容一般是固定不变的，正常工作时只能读数，不能写入，并且在断电后不

10、丢失其中存储的内容，故称为只读存储器。ROM组成：地址译码器存储矩阵输出电路ROM结构方框图 地址译码器有n个输入端，有2n个输出信息，每个输出信息对应一个信息单元，而每个单元存放一个字，共有2n个字（W0、W1、W2n-1称为字线）。 每个字有m位，每位对应从D0、D1、Dm-1输出（称为位线）。 存储器的容量是存储器的容量是2nm(字线字线位线位线)。 ROM中的存储体可以由二极管、三极管和MOS管来实现。8.2 8.2 只读存储器（只读存储器（ROM） 1. 1. 固定固定ROM 二极管ROM字的读出方法 在对应的存储单元内存入的是在对应的存储单元内存入的是1还是还是0，是由，是由接入或

11、不接入相应的二极管来决定的。接入或不接入相应的二极管来决定的。 存储存储矩阵矩阵44 ROM阵列图 有存储有存储单元单元地址译地址译码器码器二极管ROM在编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的，即每个单元存储的都是1。 用户可根据需要，借助一定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断，该单元存储的内容就变为0，此过程称为编程。 熔丝烧断后不能再接上，故PROM只能进行一次编程。 PROM的可编程存储单元 最早出现的是用紫外线照射擦除的最早出现的是用紫外线照射擦除的EPROM。 浮置栅浮置栅MOS管（简称管（简称FAMOS管）的栅极被管）的栅极被SiO2绝缘层隔离，呈浮置状态，故

12、称绝缘层隔离，呈浮置状态，故称浮置栅浮置栅。 当浮置栅带负电荷时当浮置栅带负电荷时， FAMOS管处于管处于导通导通状状态，态，源极漏极可看成短路源极漏极可看成短路，所存信息是，所存信息是0。 若浮置栅上不带有电荷若浮置栅上不带有电荷，则，则FAMOS管管截止截止，源源极漏极间可视为开路极漏极间可视为开路，所存信息是，所存信息是1。 浮置栅EPROM(a) 浮置栅MOS管的结构 (b) EPROM存储单元带负电带负电-导通导通-存存0不带电不带电-截止截止-存存1浮置栅EPROM出厂时，所有存储单元的FAMOS管浮置栅都不带电荷，FAMOS管处于截止状态。 写入信息时，在对应单元的漏极与衬底之

13、间加足够高的反向电压，使漏极与衬底之间的PN结产生击穿，雪崩击穿产生的高能电子堆积在浮置栅上，使FAMOS管导通。当去掉外加反向电压后，由于浮置栅上的电子没有放电回路能长期保存下来，在的环境温度下，以上的电荷能保存年以上。如果用紫外线照射FAMOS管分钟，浮置栅上积累的电子形成光电流而泄放，使导电沟道消失，FAMOS管又恢复为截止状态。为便于擦除，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。图图(a) Flotox管结构及符号管结构及符号图图(b) Flotox管存储单元管存储单元采用了一种叫做采用了一种叫做Flotox（Floating gateunnel Oxide）的浮）的浮栅隧道氧化层的栅隧道氧

14、化层的MOS管，简称管，简称Flotox管。管。Flotox管与管与SIMOS管相似管相似,它也属于它也属于N沟道增强型的沟道增强型的MOS管管,并且有两个栅极一并且有两个栅极一一控制栅一控制栅Gc和浮置栅和浮置栅Gf，其结构及符号如图所示。，其结构及符号如图所示。4、E2 PROMFlotox管的浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄的隧道区。当隧道区的电场强度大到一定程度时,便在漏区和浮置栅之间出现导电隧道,电子可以双向通过,形成电流。这种现象称为隧道效应隧道效应。为了提高擦、写的可靠性,并保护隧道区超薄氧化层,在E2PROM的存储单元中除lotox管以外还附加了一个选通管,如图(b), T2为

15、普通的N沟道增强型MOS管(也称选通管)。根据浮置栅上是否充有负电荷来区分单元的1或0状态。由于存储单元用了两只MOS管。限制了E2PROM集成度的提高。快闪存储器吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点,又保留了E2ROM用隧道效应擦除的快捷特性,而且集成度可以作得很高。下图是快闪存储器采用的叠栅MOS管的结构示意图及符号。5快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)图图 快闪存储器中的快闪存储器中的MOS管管浮置栅一源区间的电浮置栅一源区间的电容要比浮置栅一控制容要比浮置栅一控制栅间的电容小得多。栅间的电容小得多。当控制栅和源极间加当控制栅和源极间加上电压时上电压时,大部分电压大部分

16、电压都将降在浮置栅与源都将降在浮置栅与源极之间的电容上。快极之间的电容上。快闪存储器的存储单元闪存储器的存储单元就是用这样一只单管就是用这样一只单管组成的组成的,如图所示。如图所示。 图图 快闪存储器中的快闪存储器中的MOS单元电路单元电路5快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)快闪存储器糅合了PROM的特点，具有集成度高、容量大、成本低和使用方便优点。产品的集成度在逐年提高,目前,快闪存储器已经成为较大容量磁性存储器(例如PC机中的软磁盘和硬磁盘等)的替代产品。 5快闪存储器快闪存储器(Flash Memory)二极管固定二极管固定ROM举例举例（1）电路组成：）电路组成：由二极管

17、与门和由二极管与门和或门构成。或门构成。与门阵列组成与门阵列组成译码器，或门译码器，或门阵列构成存储阵列构成存储阵列。阵列。A1011A11. .ENDENENDDDEN.DDDD00112233输出缓冲器位线WWWW0123字线.与门阵列（译码器）（编码器）门阵列或ENVCC（2）输出信号表达式）输出信号表达式与门阵列输出表达式：与门阵列输出表达式：（3）ROM存储内容的真值表存储内容的真值表或门阵列输出表达式：或门阵列输出表达式：010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 200WWD3211WWWD3202WWWD313WWD1.作函数运算表电路作函数运算表电路【例例7.21

18、】试用试用ROM构成能实现函数构成能实现函数y=x2的运算表电路，的运算表电路，x的取值范的取值范围为围为015的正整数。的正整数。ROM的应用的应用【解解】（1）分析要求、设定变量）分析要求、设定变量自变量自变量x的取值范围为的取值范围为015的正整数，对应的的正整数，对应的4位二进制正整数，用位二进制正整数，用B=B3B2B1B0表示。根据表示。根据y=x2的运算关系，可求出的运算关系，可求出y的最大值是的最大值是152225，可以用，可以用8位二进制数位二进制数Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。表示。（2）列真值表）列真值表函数运算表函数运算表Y7=m12+m13+m14+m15

19、（3）写标准与或表达式）写标准与或表达式Y4=m4+m5+m7+m9+m11+m12Y6=m8+m9+m10+m11+m14+m15Y5=m6+m7+m10+m11+m13+m15Y3=m3+m5+m11+m13Y1=0Y2=m2+m6+m10+m14(4)画画ROM存储矩阵结点连接图存储矩阵结点连接图为做图方便，我们将为做图方便，我们将ROM矩阵中的二极管用节点表示。矩阵中的二极管用节点表示。Y0= m1+m3+m5+m7+m9+m11+m13+m15【解解】 （1）写出各函数的标准与或表达式：）写出各函数的标准与或表达式：按按A、B、C、D顺序排列变量，将顺序排列变量，将Y1、Y2、Y4扩

20、展成为四变量逻辑函数。扩展成为四变量逻辑函数。2.实现任意组合逻辑函数实现任意组合逻辑函数【例例7.22】试用试用ROM实现下列函数：实现下列函数：ABCCBACBACBAY1CABCY2ABCDDCABDCBADBCACDBADCBAY3BCDACDABDABCY4），（），（），（），（15141311715129630151411107615149854324321mmmmYYYY（2）选用）选用164位位ROM，画存储矩阵连线图：，画存储矩阵连线图：8.3 8.3 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM） 随机存取存储器又叫随机读/写存储器，简称RAM，指的是可以从任意选定的单元读出数

21、据，或将数据写入任意选定的存储单元。优点：读写方便，使用灵活。缺点：掉电丢失信息。 分类： SRAM （静态随机存取存储器） DRAM （动态随机存取存储器） 由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、输出控制、片选控制等几部分组成。片选控制等几部分组成。8.3 随机存取存储器随机存取存储器（RAM）存储矩阵读/写控制器控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入入8. RAM的基本结构的基本结构片选及输入片选及输入/输出控制电路输出控制电路当选片信号当选片信号CS1时，时，G5、G4输出为输出为0，三态门，三态门G1、G2、G3均处于高

22、均处于高阻状态，输入阻状态，输入/输出（输出（I/O）端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读）端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即不工作；写操作，即不工作；WR/&GGGCSR/W3451GDDI/OG2当当CS0时，时，芯片被选通：当芯片被选通：当 1时，时，G5输出高电平，输出高电平，G3被打开，被打开，于是被选中的单元所存储的数据出现在于是被选中的单元所存储的数据出现在I/O端，存储器执行读操作；端，存储器执行读操作；当当 0时，时，G4输出高电平，输出高电平，G1、G2被打开，此时加在被打开，此时加在I/O端的数端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作

23、。据以互补的形式出现在内部数据线上，存储器执行写操作。WR/六六MOS管组成存储单元管组成存储单元图图 六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元8.3. 静态静态RAMT1、T2、T3、T4基本基本RS触触发器，发器，T5、T6为门控管，为门控管，当当Xi为为1时，时，T5、T6导通，导通，触发器输出与位线连接；当触发器输出与位线连接；当Xi为为0时，时，T5、T6截止，触截止，触发器输出与位线断开。发器输出与位线断开。T7、T8门控管，当门控管，当Yj=1时，时，T7、T8导通，位线和数据线接通；导通，位线和数据线接通；Yj=0时，位线与数据线断开。时，位线与数据线断开。 T7、T8是数据存

24、入或读出存储内是数据存入或读出存储内容的控制通道。容的控制通道。 T1、T2、T3、T4基本基本RS触发器，触发器，T5、T6为门控管，当为门控管，当Xi为为1时，时，T5、T6导通，触发器输出与位导通，触发器输出与位线连接；当线连接；当Xi为为0时，时，T5、T6截截止，触发器输出与位线断开。止，触发器输出与位线断开。T7、T8门控管，当门控管，当Yj=1时，时，T7、T8导通，位线和数据线接通；导通，位线和数据线接通；Yj=0时，位线与数据线断开。时，位线与数据线断开。T7、T8是数据存入或读出存储是数据存入或读出存储内容的控制通道。内容的控制通道。 8. 动态动态RAM 动态动态RAM与

25、静态与静态RAM的区别的区别在于：信息在于：信息的存储单元是由门控管和电容组成。用电容上的存储单元是由门控管和电容组成。用电容上是否存储电荷表示存是否存储电荷表示存1或存或存0。为防止因电荷泄。为防止因电荷泄漏而丢失信息，需要周期性地对这种存储器的漏而丢失信息，需要周期性地对这种存储器的内容进行重写，称为内容进行重写，称为刷新刷新。动态动态MOS存储单元电路主要是三管和单存储单元电路主要是三管和单管结构。管结构。 右图是单管动态MOS存储单元电路，由门控管T和CS构成。写入信息时，字线为高电平，T导通，对电容CS充电，相当于写入1信息。读出信息时，字线仍为高电平， T导通CS上信号电压VS经过

26、T对C0提供电荷，CS上的电荷将在CS、C0上重新分配，读出电压VR为：.单管动态存储单元单管动态存储单元SSSRVCCCV0单管动态MOS存储器因为因为C0CS，所以读出，所以读出电压比电压比VS小得多，而且每小得多，而且每读一次，读一次，CS上电荷要少很上电荷要少很多，造成破坏性读出。所多，造成破坏性读出。所以通常要求将读出的数据以通常要求将读出的数据重新写入原单元。重新写入原单元。 .单管动态存储单元单管动态存储单元单管动态MOS存储器单管电路的结构简单，但需要使用较灵敏的读出单管电路的结构简单，但需要使用较灵敏的读出放大器，而且每次读出后必须刷新，因而外围控放大器，而且每次读出后必须刷

27、新，因而外围控制电路比较复杂。制电路比较复杂。动态存储单元的电路结构比静态存储单元的结构动态存储单元的电路结构比静态存储单元的结构简单，所以可达到很高的集成度。但不如静态存储简单，所以可达到很高的集成度。但不如静态存储器使用方便，速度也比静态存储器慢得多。器使用方便，速度也比静态存储器慢得多。.单管动态存储单元单管动态存储单元 .三管动态存储单元三管动态存储单元 三管动态三管动态MOS存储存储单元如所示。单元如所示。T2为为存储管，存储管，T3为读门为读门控管，控管，T1为写门控为写门控管，管，T4为同一列公为同一列公用的用的预充电管预充电管。代。代码以电荷的形式存码以电荷的形式存储在储在T2

28、管的栅极电管的栅极电容容C中，中，C上的电压上的电压控制控制T2管的状态。管的状态。读出数据：读出数据：输入预充电脉输入预充电脉冲，冲，T4通，通，CD充电到充电到VDD，读数据线置读数据线置1。读选择线置。读选择线置1 ，若，若C上原来有电荷，上原来有电荷，T2、T3通，通，CD放电，数据线输放电，数据线输出出0。若。若C上没电荷，上没电荷，T2止，止，CD无放电回路，读数据线无放电回路，读数据线为为1，相当反码输出。经读，相当反码输出。经读放大器放大并反相后输出放大器放大并反相后输出即为读出数据。即为读出数据。写入数据写入数据：令写选择线：令写选择线为高电平，为高电平，T1导通，当写导通，

29、当写入入1时，数据线为高电平，时，数据线为高电平，通过通过T1对对C充电，充电，1信号信号便存到便存到C上。上。三管电路的读、写选择线三管电路的读、写选择线和数据线是分开的，刷新和数据线是分开的，刷新操作需要通过外围电路控操作需要通过外围电路控制，所以电路比较复杂，制，所以电路比较复杂，存储单元与外围电路的连存储单元与外围电路的连线也较多。线也较多。.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展存储器的容量：字数存储器的容量：字数位位数数 将多片存储器经适当的连接，组成将多片存储器经适当的连接，组成位数增多、字数不变的存储器。位数增多、字数不变的存储器。 位扩展（即字长扩展）：位扩展（即字长扩展）：多个单片多个单片RAM的的I/O端并