第7章 半导体存储器

数字技术应用第七章半导体存储器7.1概述半导体存储器是一种能存储大量信息的器件，它是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有唯一的地址代码加以区分，而且能存储一位（或一组）二进制信息。存储器是能够存储大量二进制信息的半导体器件，如可以存放各种程序、数据和资料等。存储器是数字系统和计算机中不可缺少的组成部分，半导体存储器因具有容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等特点，在数字系统中应用很广泛。存储器的性能指标很多，例如存储容量、存取速度、封装形式、电源电压、功耗等，但就实际应用而言，最重要的性能指标是存储器的存储容量和存取时间。下面就这两项性能指标的具体情况予以说明7.1概述1．存储容量存储容量表示存储器存放二进制单元的多少，一般来说，存储容量就是存储单元的总数，一组二进制信息称为一个字，而一个字由若干位(Bit)组成，若一个存储器由N个字组成，每个字为M位，则存储器的容量为N×M，单位是二进制的位。例如一个存储单元有1K字，每个字的字长是4位，则该存储器的容量是4096位二进制单元。7.1概述2．存取速度存储器的存取速度可用“存取时间”和“存储周期”这两个时间参数来衡量。“存取时间”（AccessTime）是指从微处理器发出有效存储器地址从而启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所经历的时间。很显然，存取时间越短，则存取速度越快。“存储周期”（memorycycle）是连续启动两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔。由于存储器在完成读/写操作之后需要一段恢复时间，所以存储器的存储周期略大于存储器的存取时间。如果在小于存储周期的时间内连续启动两次存储器访问，那么存取结果的正确性将不能得到保证。存取周期越短越好，目前高速随机存储器的存取周期仅10ns左右7.1概述随机存储器和只读存储器半导体存储器的种类很多，从信息的存取情况来看，半导体存储器可分为随机存储器和只读存储器两大类。随机存储器在正常工作状态下可以随机地向存储器任意存储单元写入数据或从任意存储单元读出数据，其英文名称为：RandomAccessMemory，缩写为RAM。在断电后，RAM中的信息会丢失。只读存储器在正常工作时，存储器中的数据只能读出，不能写入。只读存储器的英文名称为：ReadOnlyMemory，缩写为ROM。在断电后，ROM中的信息不会丢失。随机存取存储器与只读存储器的根本区别在于：随机存储器在正常工作状态时可随时向存储器里写入数据或从中读出数据，在存储器断电后信息全部丢失，因此RAM也称为易失性存储器。7.1概述目前市面上的存储器：MROM，内容是工厂预先做好的，用户不能改写的只读存储器。PROM，可以一次编程的只读存储器。EPROM，可用紫外线擦除的可改写的只读存储器，E2ROM，电擦除的可改写的只读存储器。SROM，静态存储器。DROM，动态存储器。非易失性RAM，由SRAM和E2PROM组成，正常工作时，用SRAM存取，当断电时数据转移到E2ROM中。高速数据不挥发SRAM，采用锂电池供电，数据可以保持10年以上。FlashMemory，闪速存储器，类似于E2ROM，但是具有容量大，使用方便的优点。半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）7.1概述7.2只读存储器7.2.1只读存储器的组成MROM，内容是工厂预先做好的，用户不能改写的只读存储器。PROM，可以一次编程的只读存储器。EPROM，可用紫外线擦除的可改写的只读存储器，E2ROM，电擦除的可改写的只读存储器。SROM，静态存储器。DROM，动态存储器。非易失性RAM，由SRAM和E2PROM组成，正常工作时，用SRAM存取，当断电时数据转移到E2ROM中。高速数据不挥发SRAM，采用锂电池供电，数据可以保持10年以上。FlashMemory，闪速存储器，类似于E2ROM，但是具有容量大，使用方便的优点。ROM由地址译码器、存储矩阵、输出和控制电路组成，如图7-1所示。图7-1ROM原理结构框图7.2只读存储器ROM由地址译码器、存储矩阵、输出和控制电路组成，如图7-1所示。图7-1ROM原理结构框图7.2只读存储器7.2.2只读存储器的工作原理地址译码器存储矩阵输出电路字线可编程PROM的总体结构与掩模ROM一样，同样由存储矩阵、地址译码器和输出电阻组成，不过在出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储单元，就是在所有的存储单元都存储了1。可编程只读存储器是可由用户直接向芯片写入信息的存储器，但PROM的缺点是只能写入一次数据，且一经写入就不能再更改了。7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元1.可编程只读存储器（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称PROM）可编程PROM封装出厂前，存储单元中的内容全为“1”，用户可根据需要进行一次性编程处理，将某些单元的内容改为“0”。图7-3所示是PROM的一种存储单元,7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元1.可编程只读存储器（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称PROM）Wi

EC

Yi

图7-3一种PROM存储单元EPROM为可擦除可编程只读存储器，它可反复使用多次，灵活、方便，深受用户欢迎。目前多用叠栅注入型MOS管（称为SIMOS管）构成EPROM的存储单元。7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元2.可擦除可编程只读存储器（EPROM）图7-4SIMOS管的结构和符号图7-5使用SIMOS的存储单元随着电子技术的发展，又出现了一种称为电可擦除可编程只读存储器，简称EEPROM或E2PROM，其存储信息的原理类似EPROM，但擦除的原理不同。EEPROM是通过在存储信息的MOS管的源极和漏极之间加一个较高的电压，使浮栅上的电荷跑掉。它可以整片擦除，也可以擦除指定的单元。EEPROM具有EPROM只读存储器可重编程的特点，又具有擦除速度快、可按单元擦除的优点7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元3.电可擦可编程只读存储器（EEPROM）图7-6Flotox管的结构和符号图7-7Flotox管组成的存储单元快闪存储器的叠栅MOS管与SIMOS管极为相似，两者最大的区别是浮置栅与衬底间氧化层的厚度不同，在EPROM中这个氧化层的厚度一般为30~40nm，而在快闪存储器中仅为10~15nm。而且浮栅与源区重叠部分的面积极小，因而浮置栅－源区之间的电容比浮置栅－控制栅间的电容小的多。当控制栅和源极之间加上电压时，大部分降落在浮置栅与源极之间的电容上。快闪存储器的存储单元如图7-9所示。7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元4.快闪存储器（FlashMemory）图7-8快闪存储器中的叠栅MOS管图7-9快闪存储器的存储单元7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用1．集成EPROM表7-2常用的EPROM芯片主要技术特性型号271627322764271282725627512容量（KB）248163264引脚数242428282828读出时间（ns）350～450200＊200＊200＊200＊170＊最大工作电流（mA）

10075100100125最大维持电流（mA）

3535404040操作方式控制输入功能读005v5v数据输出维持1×5v5v高阻态编程1125v5v数据输入编程校验0025v5v数据输出编程禁止0125v5v高阻态表7-3EPROM2716的操作方式7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用1．集成EPROM图7-102764引脚图28

14

GND

GND

VCC

2764是一个28脚双列直插封装的紫外线可擦除可编程ROM集成电路。2764共有213个字，存储容量为8K×8位。其引脚图如图7-10所示。各管脚功能如下：A0～A12：13根地址线；D0～D7：8根三态数据总线；：片选信号输入线，低电平有效；：读选通信号输入线，低电平有效；：编程脉冲输入线；VPP：编程电源输入线；VCC

：主电源输入线，一般为+5V；GND：线路地。7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用1．集成EPROM表7-4EPROM2764的操作方式操作方式控制输入功能编程写入01025v5vD0～D7上的内容存入对应的单元读出数据0015v5vA0～A12

对应单元的内容输出低功能维持1××5v5vD0～D7

成高阻态编程校验00125v5v数据读出编程禁止1××25v5vD0～D7

成高阻态7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用图7-11PROM方框图输入1输入2输入n输出1输出2输出m固定与门阵列可编程或门阵列从逻辑器件的角度理解，可编程ROM的基本结构是由一个固定连接的与门阵列（它被连接成一个译码器）和一个可编程的或门阵列（存储矩阵）所组成，如图7-11所示。n个输入为ROM的地址线，m个输出为ROM的数据线。7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用图7-12PROM的点阵表示图图7-12所示为一PROM的结构示意图，与图7-11相对应。图中的与门阵列构成一个两变量的地址译码器：在用PROM实现逻辑函数时，通常采用一种简化的画法，即将或门阵列中Wi线和Dj线的交叉处用“*”点表示可编程连接点，存储的信息为“1”；不画点表示此处不连接，此图也称为点阵图。7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用由上述标准式可知：函数Y1有四个存储单元应为“1”，函数Y2也有四个存储单元应为“1”，函数Y3有五个存储单元应为“1”，实现这三个函数的逻辑图可表示为图7-13。例7.1用PROM实现下列逻辑函数解：利用=1将上述函数式化为标准与－或式：7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用Y3

Y2

Y1

A

B

C

2

&

&

&

&

&

&

&

&

W4

W3

W2

W1

W0

W5

W6

W7

≥1

≥1

≥1

图7-13例题7.1的逻辑图

7.2只读存储器解：根据题意，可列真值表：例7.3用PROM设计一个比较器，比较两个两位二进制数A1A0和B1B0的大小。当A1A0<B1B0时F1(A<B)=1；当A1A0>B1B0时，F2(A>B)=1；当A1A0=B1B0时，F3(A=B)=1。输入输出A1A0B1B0F1(A<B)F2(A>B)F3(A=B)0000001000110000101000011100010001001010010110100011110010000101001010101000110111001100010110101011100101111001表7-6比较器的真值表7.2只读存储器根据表7-6，可得到输出函数表达式：例7.3用PROM设计一个比较器，比较两个两位二进制数A1A0和B1B0的大小。当A1A0<B1B0时F1(A<B)=1；当A1A0>B1B0时，F2(A>B)=1；当A1A0=B1B0时，F3(A=B)=1。F1(A<B)=Σm（1，2，3，6，7，11）F2(A>B)=Σm（4，8，9，12，13，14）F3(A=B)=Σm（0，5，10，15）由此可知，此比较器应采用4位地址输入、3位数据输出的PROM来实现。根据以上表达式，可画出PROM的点阵图，如图7-15所示。W0W1W2W3W4W5W6W7W8W9W10W11W12W13W14W151

A1A0B1B0F1F2F3

7.2只读存储器图7-15例7-3PROM点阵图随机存取存储器也称随机读/写存储器，可以在任意时刻，对任意选中的存储单元进行信息的存入（写）或取出（读）的信息操作，因此称为随机存取存储器。它也是用于存放二进制信息，如数据、程序指令和运算的中间结果。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.1RAM分类随机存储器也叫可读写存储器，它可分为双极型和MOS型存储器。双极型存储器由于集成度低、功耗大，在微型计算机系统中使用不多。目前可读写存储器RAM芯片几乎全是MOS型的。MOS型RAM按工作方式不同又可分为静态RAM（StaticRAM）和动态RAM（DynamicRAM）。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.1RAM分类随机存储器（RAM）静态RAM（SRAM）同步突发SRAM（SBSRAM）异步SRAM（ASRAM）动态RAM（DRAM）快速页模式DRAM（FPMDRAM）扩充数据输出DRAM（EDODRAM）突发EDODRAM（BEDODRAM）同步DRAM（SDRAM）图7-16RAM的分类7.3随机存取存储器（RAM）7.3.2RAM的结构和工作原理图7-17RAM的电路结构框图1.RAM的结构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，其电路结构框图如图7-17所示。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.2RAM的结构和工作原理图7-18RAM存储矩阵1.RAM的结构存储矩阵也是由一些存储单元排列而成，是一个n行×m列矩阵列，它是存储器的主体。存储单元的数目称为存储器的容量。例如，一个容量为256×4（256个字，每个字4位）的存储器，共有1024个存储单元，这些单元可排成如图7-18所示的32行×32列的矩阵。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.2RAM的结构和工作原理2.地址译码器每片RAM由若干个字组成，每个字由若干位组成，通常信息的读写是以字为单位进行的。不同的字具有不同的地址，在进行读写操作时，可以按照地址选择欲访问的单元。地址的选择是通过地址译码器来实现的。在存储器中，通常将输入地址译码器分为行地址译码器和列地址译码器两部分，给定地址码后，行地址译码器输出线（即字线）中有一条有效，选中该行的存储单元，同时，列地址译码器输出线（即位线）中也有一条有效，选中一列或n列的存储单元，字线和位线的交叉点处的单元即被选中。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.2RAM的结构和工作原理3.读/写与片选控制读/写控制电路的作用是对存储器的工作状态进行控制。在系统中，RAM一般由多片组成，系统每次读写时，只能选中其中的一片（或几片）进行读写，因此每片RAM均需有片选信号线，为片选输入端，低电平有效，为读/写控制信号。当=0时，RAM为正常工作状态，若=1，则执行读操作，存储单元里的数据将送到输入/输出端上；若=0，则执行写操作，加到输入/输出端上的数据将写入存储单元；当=1时，RAM的输入/输出端呈高阻状态，这时不能对RAM进行读/写操作。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.3静态RAM（SRAM）1．SRAM的基本存储单元静态RAM的基本存储单元通常由6个MOS管组成，如图7-19所示。图中T1、T2为放大管，T3、T4为负载管，这4个MOS管共同组成一个双稳态触发器。若T1导通，则A点为低电平，这样T2截止，B点为高电平，又保证T1导通；与此类似，T1截止而T2导通时，又是另一种稳定状态。A点为高电平B点为低电平代表“1”，B点为高电平A点为低电平时代表“0”，这个双稳态触发器可以保存一位二进制数据。图中T5、T6为本单元控制管，由X地址译码线控制。T7和T8为一列基本存储单元的控制管，由Y地址译码线控制。显然，只有当X、Y地址译码线均为高电平时，T5、T6、T7和T8管都导通，该基本存储单元的输出才能通过T5、T6、T7和T8管和数据线接通。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.3静态RAM（SRAM）1．SRAM的基本存储单元BAT2T1T3T4VCCT6T5T7T8接X地址译码线

接Y地址译码线数据线数据线图7-19六管静态RAM基本存储单元静态RAM存储电路MOS管较多，集成度不高，同时由于T1、T2管必定有一个导通，因而功耗较大。静态RAM的优点是不需要刷新电路，从而简化了外部控制逻辑电路，此外静态RAM存取速度比动态RAM快，因而通常用作微型计算机系统中的高速缓存。7.3随机存取存储器（RAM）7.3.3静态RAM（SRAM）2．存储矩阵图7-20基本SRAM阵列RAM中的基本存储单元以行和列组织起来，图7-20为一个n×4阵列的基本SRAM阵列。行中所有基本存储单元共享相同的行选择线。数据线的每一个集合（Di，）进入给定列中的每个单元中，并经过数据输入/输出缓冲器和控制电路，成为单个数据线的一个输入或输出（数据I/O）。数据输入/输出缓冲器和控制数据I/O位0数据I/O位1数据I/O位2数据I/O位3行选择线0行选择线1行选择线n行选择线3┇┇┇┇┇行选择线2基本存储单元7.3随机存取存储器（RAM）7.3.4动态RAM（DRAM）图7-20基本SRAM阵列与静态RAM一样，动态RAM也是由许多基本存储单元按行、列形式构成的二维存储矩阵。在基本存储单元电路中，二进制信息保存在MOS管栅极电容上的，电容上充有电荷表示“1”，电容上无电荷表示“0”，即动态RAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的。刷新放大器行选择信号列选择信号基本存储单元数据输入/输出线CT7.3随机存取存储器（RAM）7.3.4动态RAM（DRAM）图7-22动态RAM存储器阵列一个由单管基本存储单元电路及相关外围控制电路构成的动态RAM存储阵列如图7-22所示。由该图可见，整个存储阵列由1024行、1024列构成，具有1M×1组织的1048576位（1M位）DRAM的方块图，图中深灰色的方块表示刷新逻辑。1024112输入输出缓冲器和读放大器

1024

列译码器┆┆┆······1

存储矩阵1024行×1024列

1024

行译码器┆┆┆数据选择器行地址锁存器刷新计数器刷新控制和计时列地址锁存器DOUTDINA0/A10A1/A11

A9/A19

地址线

7.4存储容量的扩展1．集成RAM常用静态RAM芯片有2114A（1K×4）、2116（16K×1）、6116（2K×8）、6264（8K×8）等。下面简单介绍常用的2114A芯片和6116芯片。（1）2114A芯片Y0Y1……Y15

列地址译码器

A0A1A2A9

CSR/W

I/01I/02I/03I/04

X0X1

┆┆X63

存储矩阵

A3A4A5A6A7A8

图7-232114A电路结构框图7.4存储容量的扩展1．集成RAM常用静态RAM芯片有2114A（1K×4）、2116（16K×1）、6116（2K×8）、6264（8K×8）等。下面简单介绍常用的2114A芯片和6116芯片。（2）6116芯片图7-246116引脚图6116有3种工作方式：A)写入方式当=0，=1，=0时，数据线D0～D7上的内容存入A0～A10相应的单元。B)读出方式当=0，=0，=1时，A0～A10相应单元的内容输出到数据线D0～D7。C)低功耗维持方式当=1时，芯片进入这种工作方式，此时器件电流仅20μA左右，故系统断电时可以用电池保持RAM内容。型号6116626462256容量（KB）24832引脚数242828工作电压（V）555典型工作电流（mA）35408典型维持电流（μA）520.5存取时间（ns）＊＊＊7.4存储容量的扩展表7-7常用静态RAM主要技术特性表7-86116、6264和62256的操作控制7.4存储容量的扩展2．RAM的扩展一片RAM的存储容量是一定的。在数字系统或计算机中，单个芯片往往不能满足存储容量的需求，我们可以将若干个存储器芯片组合起来，扩展成大容量的存储器，从而满足使用要求。RAM的扩展有位扩展和字扩展两种，也可以将位、字同时扩展以满足对容量的需求。6116有3种工作方式：当所用的单片RAM的字数满足了要求而位数不够时，需要进行位扩展。字数满足了要求，即地址线不用增加。扩展位数，只需把几片位数相同的RAM芯片地址线共用，让它们共用地址码，读/写控制线R/线共用，各位的片选信号线也共用，每个RAM的I/O端并行输出，就可以实现了位扩展。(1)RAM的位扩展7.4存储容量的扩展2．RAM的扩展一片RAM的存储容量是一定的。在数字系统或计算机中，单个芯片往往不能满足存储容量的需求，我们可以将若干个存储器芯片组合起来，扩展成大容量的存储器，从而满足使用要求。RAM的扩展有位扩展和字扩展两种，也可以将位、字同时扩展以满足对容量的需求。6116有3种工作方式：当单片存储器的数据位数满