第6章 半导体存储器

第六章半导体存储器6.1概述6.2只读存储器（ROM）6.3随机存取存储器（RAM）6.4存储器的扩展6.5存储器的应用6.1存储器概述存储器：专用于存放大量二进制数码的器件按材料分类

1)磁介质类——软磁盘、硬盘、磁带、…2)光介质类——CD、DVD、…3)半导体介质类——SDRAM、EEPROM、FLASHROM、…按功能分类主要分RAM和ROM两类，不过界限逐渐模糊

RAM:SDRAM,磁盘，

ROM:CD,DVD,FLASHROM,EEPROM存储器一般概念讨论学习半导体介质类存储器件的结构功能和使用特点半导体存储器分类：

RAM(RandomAccessMemory)随机存取存储器ROM(ReadOnlyMemory)只读存储器随机存取存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作RAM信息易失：芯片必须供电才能保持存储的数据SRAMDRAM只读存储器：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出ROM信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失ROM(工厂掩膜)PROM(一次编程)6.1存储器概述EPROM(多次编程)双极型MOS型存储器的主要性能指标：容量：存储单元总数（bit）存取时间：表明存储器工作速度其它：材料、功耗、封装形式等等6.1存储器概述1Kbit=1024bit=210bit128Mbit=134217728bit=227bit字长：一个芯片可以同时存取的比特数1位、4位、8位、16位、32位等等标称：字数×位数如4K×8位=212×8=215单元（bit）读操作和写操作时序图：存储器的工作时序关系6.2只读存储器（ROM）6.2.1只读存储器概述1.特点：

①正常条件下只能读出，不能写入；②属于组合电路，电路简单，集成度高；③具有信息的不易失性；④读取时间在20ns～50ns。

2.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、可擦除ROM（EPROM）——可根据需要改写；可编程、电可擦除ROM（EEPROM即E2PROM） 快闪存储器FLASHROM6.2.2掩膜ROM(固化ROM)

采用掩膜工艺制作ROM时，其存储的数据是由制作过程中的掩膜板决定的。这种掩膜板是按照用户的要求而专门设计的。因此，掩膜ROM在出厂时内部存储的数据就“固化”在里面了，使用时无法再更改。1.基本构成①地址译码器的作用将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器。②存储矩阵是由存储单元排列而成，可以由二极管、三极管或MOS管构成。每个单元存放一位二值代码。每一个或一组存储单元对应一个地址代码。③输出缓冲器的作用：Ⅰ、提高存储器的带负载能力，将高、低电平转换标准的逻辑电平；Ⅱ、实现对输出的三态控制，以便与系统总线连接。2.举例4×4存储器2位地址代码A1、A0给出4个不同地址，4个地址代码分别译出W0～W3上的高电平信号。位输出线111111VccA1A0D3D2D1D0W3W2W1W0地址译码器存储矩阵END3’VccA1A0W3二极管与门作译码A1A0＝00W0＝1；A1A0＝01W1＝1；A1A0＝10W2＝1；A1A0＝11W3＝1；2.举例4×4存储器（续）存储矩阵由4个二极管或门组成，当W0～W3线上给出高电平信号时，会在D0～D3输出一个二值代码位输出线111111VccA1A0D3D2D1D0W3W2W1W0地址译码器存储矩阵END3’D3’W3W1二极管或门作编码器D3＝W1＋W3D2＝W0＋W2＋W3D1＝W1＋W3D0＝W0＋W1W0～W3：字线D0～D3：位线（数据线）A0、A1：地址线2.举例4×4存储器（续）位输出线111111VccA1A0D3D2D1D0W3W2W1W0地址译码器存储矩阵END3’字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元，在交叉点上接二极管相当于存1，没接二极管相当于存0，交叉点的数目就是存储容量，写成“字数×位数”的形式D3＝W1＋W3D2＝W0＋W2＋W3D1＝W1＋W3D0＝W0＋W1存储内容真值表地址数据A1A0D3D2D1D000010110101101101001110＝m1＋m3＝m0＋m2＋m3＝m1＋m3＝m0＋m1地址数据A1A0D3D2D1D000010110101101101001110D3D2D1D0与阵列或阵列W1W0W2W3简化ROM点阵图字输出：D3D2D1D0随着地址的不同有不同的数据。位输出：D3、D2、D1、D0每根位线，由不同的最小项组成，可实现组合逻辑函数。D3＝W1＋W3D2＝W0＋W2＋W3D1＝W1＋W3D0＝W0＋W1输出方式3.基本应用①字应用——由地址读出对应的字，例实现B码→G码的转换。二进制G3G2G1G000000000000100010010001100110010010001100101011101100101011101001000110010011101101011111011111011001010110110111110100111111000B3B3B2B2B1B1B0B0051015G3G2G1G0②位应用——实现组合函数全加器051015组合逻辑函数的实现：①基本门电路；②译码器；③数据选择器；④ROMAiAiBiBiCi-1Ci-1SiCiAiAiBiBiC-1C-1SiCi两种表示形式6.2.3PROM(可编程ROM)☆PROM只能写一次，一旦写入就不能修改。☆基本结构同掩模ROM，由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。☆出厂时在存储矩阵的所有交叉点上都做有存储单元，一般存1。☆存数方法：熔丝法和击穿法。熔丝法图示e熔丝cbVcc字线位线加高电压将熔丝化断，即可将原有的1改写为0。PROM电路见图6.6(p205)6.2.4EPROM、E2PROM、FLASHROM☆电擦除，擦除时间短(ms级)，可对单个存储单元擦除；☆一般芯片内部带有升压电路，可以直接读写EEPROM；☆读出：5V；擦除：20V；写入：20V。EPROM：光擦除可编程ROME2PROM：电擦除可编程ROMFLASHROM：电擦除可编程ROM☆紫外线照射擦除，时间长20～30分钟；☆整片擦除；☆写入一般需要专门的工具。☆结合EPROM和EEPROM的特点，构成的电路形式简单，集成度高，可靠性好。☆擦除时间短(ms级)，整片擦除、或分块擦除。☆读出：5V；写入：12V；擦除：12V(整块擦除)1、UVEPROM(紫外光可擦除可编程ROM）浮栅是与四周绝缘的一块导体控制栅上加正电压，P型衬底上部感生出电子，可产生N型反型层使NMOS管导通如果浮栅带负电，则在衬底上部感生出正电荷，阻碍控制栅开启MOS管。开启需要更高的电压。加相同栅电压时，浮栅带电与否，表现为MOS管的通和断叠栅（SIMOS）管用浮栅是否累积有负电荷来存储二值数据。叠栅MOS管结构－EPROM(光擦除可编程ROM)存储单元写入：在漏源极间加上高电压(+20V~+25V)漏极PN结反相击穿，产生大量高能电子，在栅极高电压脉冲（+25V,50ms)的吸引下，穿透栅极绝缘层，部分堆积在浮栅上使浮栅带负电擦除：用紫外线照射使浮栅上电子形成光电流释放擦除时间长，20~30分钟整片擦除写入一般需要专门的工具2、E2PROM读出、写入、擦除方法见有关资料结构特点：浮栅与漏极N区延长区有一点交迭并且交迭处的绝缘层厚度很小写入：控制栅上加高电压，漏极接地即可对浮栅充电，电子穿透绝缘层积累在浮栅上擦除：控制栅接地，漏极接高电压即可对浮栅放电，即为电擦除读出：Gc=3V,Wi=5V

写入：Gc=Wi=20V（脉冲）

擦除：Gc=0,Wi=Bi=20V（脉冲）

可擦除单个存储单元

芯片内部带有升压电路工作机理与叠栅MOS管相同隧道MOS管的结构－E2PROM的存储单元3、快闪存储器快闪存储器既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应擦除的快捷特性，而且集成度可以做得很高。快闪存储器MOS管的结构－FLASHROM存储单元写入：利用雪崩击穿产生的大量高能电子在浮栅上积累读出：Wi=5V,Vss=0V

写入：Bj=6V,Gc=12V脉冲，Vss=0

擦除：Gc=0V,Vss=12V脉冲

整片或分块擦除电路形式简单、集成度高、可靠性好工作机理与叠栅MOS管相同结构：快闪存储器MOS管的源极N+区大于漏极N+区（非对称）且浮栅到P型衬底间的氧化绝缘层比SIMOS管的更薄擦除：控制栅接地、源级接高电压，利用隧道效应放电6.2.5EPROM集成芯片及应用举例EPROM27161.EPROM集成芯片工作方式读出未选中待机编程禁止编程校验读出CEOEVPP数据线D7~D0的状态00+5V读出的数据×1+5V高阻1×+5V高阻1+25V写入的数据01+25V高阻00+25V读出校验数据2716工作方式EEPROM2864（1）用于存储固定的专用程序或数据（2）利用ROM可实现查表2.ROM的应用举例（3）ROM用于波形发生器（4）利用ROM可实现译码组合逻辑等功能查表功能－构造自变量与应变量的函数表把自变量值作为地址码，其对应的函数值作为存放在该地址内的数据，称为“造表”；使用时，根据输入的地址就可在输出端得到所需的函数值，称为“查表”A1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963ROMD/A计数器CP计数脉冲送示波器34oA1A2A0D3D2D1D0D/A01000000000001111111111100000000000000000000001111111111124812963t

o0例利用ROM实现的十进制数码显示（七段译码）译码或码制变换－把欲变换的编码作为地址，译码结果或目的编码作为相应存储单元中的内容思考：若填入的数值分别是7F、0D、B7、9F、CD、DB、FB、0F、FF、CF，译码显示如何？6.3随机存储器RAMRAM按功能可分为RAM按所用器件可分为静态(SRAM)动态(DRAM)双极型MOS型RAM的特点：可随时读写信息，读写速度较快；(2)信息易失性：掉电后数据丢失。RAM的分类：RAM的结构框图RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读／写控制电路三部分组成。A0Ai行地址译码器…..列地址译码器Ai+1An-1……存储矩阵读写控制电路CSR/WI/O地址输入控制输入数据输入/输出三组输入信号：地址输入、控制输入和数据输入一组输出信号：数据输出大容量RAM数据输入／输出合为双向端口存储单元数量多，将存储单元排列成矩阵形式（存储器阵列）阵列中各单元的选择称地址译码A0A1A2A3A4A5A6A7……CS0CS1CS255地址译码器存储器阵列01255A0A1A2A3CSX0CSX1CSX15行地址译码器……列地址译码器A4A5A6A7CSY0CSY1CSY15011516173232241255单译码行列（双）译码地址译码8根列地址选择线32根行地址选择线1024个存储单元，排成32×32的矩阵图中的每个地址译码选通时有四个存储单元同时输入／输出；存储器容量为256字×4位＝1024bit存储器存储矩阵结构1024×4RAM列控制门行控制门在内部数据线行选择26＝64列选择24＝161024×4RAM存储矩阵&&G1G2G3DDR/WCSI/O10001D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输出，可以从D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。输入输出控制电路③

CS=0,R/W=0时,G1,G2开通，G3三态，I/O上的数据被同时送到D/D上，改变存储单元内部内容。②

CS=0、R/W=1时：G1,G2三态，G3开通D端数据输出到I/O线上①CS=1时，G1,G2,G3都是高阻，存储器与输入/输出线完全隔离RAM操作时序要求：了解时序图静态双极RAMSRAM存储单元静态MOSRAM（SRAM）基本RS触发器本单元控制门列存储单元公用的控制门SRAM存储单元2.RAM存储单元Xi

=1，T5、T6导通，触发器与位线接通Xi

=0，T5、T6截止，触发器与位线隔离Yj

=1，T7

、T8均导通，触发器的输出才与数据线接通，该单元才能通过数据线传送数据来自行地址译码器的输出来自列地址译码器的输出动态MOSRAM（DRAM）3.DRAM存储单元DRAM存储数据原理：基于MOS管栅极电容的电荷存储效应DRAM三个工作过程：写入数据读出数据刷新数据存储数据的电容存储单元写入数据的控制门读出数据的控制门写入刷新控制电路来自行地址译码器的输出来自列地址译码器的输出写入数据若DI＝0，电容充电；若DI＝1，电容放电。

当Xi＝

Yj＝0时，写入的数据由C保存。R/W=0,G1开通，G2被封锁，输入数据DI经G3反相，被存入电容C中。&&DRAM工作描述

读位线信号分两路，一路经T5

由DO

输出；另一路经G2、G3、T1对存储单元刷新。R/W=1,G2开通，G1被封锁，读出数据若C上充有电荷且使T2导通，则读位线获得低电平，输出数据0；反之，T2截止，输出数据1。&&DRAM工作描述若读位线为低电平，经过G3反相后为高电平，对电容C充电；刷新数据&&若读位线为高电平，经过G3反相后为低电平，电容C放电；当R/W=1,且Xi=1时，C上的数据经T2

、T3到达“读”位线，然后经写入刷新控制电路对存储单元刷新此时,Xi有效的整个一行存储单元被刷新。由于列选择线Yj无效，因此数据不被读出DRAM工作描述利用触发器保存数据写入时在D和/D上加上反相信号，引起触发器的翻转即可数据读出非破坏性，一次写入，可以反复读出存储单元占用管元多，每比特面积大、功耗高动态存储单元利用栅极电容上的存储电荷保存数据写入过程是给电容充电或放电的过程破坏性读出存储单元管元少、面积小、功耗低、利于海量存储需要刷新时序控制存储单元特点比较：静态存储单元(1)SRAM芯片M6264：地址线13根（A12~A0），数据线8根（DQ7~DQ0）容量为：8192字×8位（常称为8K×8）MCM6264功能框图4.RAM产品介绍M6264内部结构和外引脚123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R/WRAM2114