半导体存储器

第七章半导体存储器本章的重点：1．存储器的根本工作原理、分类和每种类型存储器的特点；2．扩展存储器容量的方法；3．用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。因为存储器几乎都作成LSI器件，所以这一章的重点内容是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程的重点。本章的难点：在本章的重点内容中根本没有难点。1精选课件预备知识

字：在计算机中，作为一个整体单元进行存取和处理的一组二进制数，每位计算机字的二进制数的位数是固定的。

字节：把一个8位的二进制数据单元称为一个字节，通常用字母B表示。

字长：一个字中包含二进制数位数的多少称为字长，字长是标志计算机精度的一项技术指标。KB即为K字节1K=210=1024BMB即为M字节1M=220=1024KGB即为G字节1G=230=1024M位：计算机只认识由0或1组成的二进制数，二进制数中的每个0或1就是信息的最小单位，称为“位〞〔bit〕，也称为二进制的位或称字位2精选课件第七章半导体存储器第一节概述存储器：存储大量二值信息〔或称为二值数据〕的半导体器件。用途：在计算机或数字系统中存储数据。与存放器的区别：以字为单位存取，每字包含假设干位。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，因此内部有地址译码器。3精选课件分类：掩模ROM可编程ROM〔PROM〕可擦除可编程ROM〔EPROM〕随机存储器RAM静态存储器SRAM动态存储器DRAM按功能(Read-OnlyMemory)(RandomAccessMemory)(ProgrammableROM)(ErasablePROM)UVEPROMEEPROM只读存储器ROMFlashMemory(Ultra-Violet)(Electrically)电可擦除紫外线擦除(StaticRAM)快闪存储器(DynamicRAM)只能读出不能写入,断电不失还可以按制造工艺分为双极型和MOS型两种。

主要指标：存储容量、存取速度。

存储容量:用字数×位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为109位/片。4精选课件第二节只读存储器ROM一、掩模只读存储器又称为固定ROM。工厂按用户要求生产出来后，用户不能改动。1.ROM的构成存储矩阵：由假设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MOS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，以便和系统的总线相连。

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10ns左右。5精选课件2.工作原理按组合电路进行分析。二－四线译码器A1,A0的四个最小项字线存储矩阵是四个二极管或门；当EN=0时，。D1=D3=A0D0=W1+W0=A1真值表：真值表与存储单元有一一对应关系位线0011D01010D11101D21010D31010A01100A1D3=W1+W3=A1A0+A1A0=A0D2=W1=A1+A06精选课件二、可编程只读存储器PROM

用MOS工艺制造的ROM的存储矩阵如图：或非门产品出厂时存的全是1，用户可一次性写入，即把某些1改为0。但不能屡次擦除。

存储单元多采用熔丝－－低熔点金属或多晶硅。写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。编程时VCC和字线电压提高7精选课件16字×8位的PROM十六条字线八条位线20V十几微秒编程脉冲

读出时，读出放大器AR工作，写入放大器AW不工作。

写入时，在位线输入编程脉冲使写入放大器工作，且输出低电平，同时相应的字线和VCC提高到编程电平，将对应的熔丝烧断。缺点：不能重复擦除。8精选课件三、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〔UVEPROM〕

是最早出现的EPROM。通常说的EPROM就是指这种。1.使用浮栅雪崩注入MOS管〔Floating-gateAvalanche-InjuctionMOS，简称FAMOS管。〕写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较高电压后〔如-20V〕，漏极PN结雪崩击穿，局部高速电子积累在浮栅上，使MOS管导通。擦除：用紫外线或X射线擦除。需20~30分钟。

浮栅上电荷可长期保存－－在125℃环境温度下，70%的电荷能保存10年以上。存储单元如图。

缺点：需要两个MOS管；编程电压偏高；P沟道管的开关速度低。9精选课件2.使用叠栅注入MOS管SIMOS

(Stacked-gateInjuctionMOS)用N沟道管；增加控制栅。SIMOS管原来可导通，开启电压约为2V。

注入电荷：在DS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，所以需要的漏源电压相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导通。

存储单元如下页图。256字X1位。已注入电荷的SIMOS管存入的是1。构造：10精选课件这是一种双译码方式，行地址译码器和列地址译码器共同选中一个单元。每个字只有一位。〔二〕电可擦除EPROM(EEPROM或E2ROM)

用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存储器件，使得可以用电信号进行擦除。

使用浮栅隧道氧化层MOS管Flotox(FloatinggateTunnelOxide)11精选课件写入（写0）擦除（写1）读出特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄〔20纳米以下〕，称为隧道区。当隧道区电场大于107V/cm时隧道区双向导通。GCGf漏极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局部降在隧道区，有利于隧道区导通。存储单元：擦除和写入均利用隧道效应10ms12精选课件快闪存储器就是针对此缺点研制的。〔三〕快闪存储器(FlashMemory〕采用新型隧道氧化层MOS管。EEPROM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单元需两只MOS管。1.隧道层在源区；2.隧道层更薄－－10～15nm。在控制栅和源极间加12V电压即可使隧道导通。该管特点：13精选课件存储单元的工作原理：1.写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接6V；控制栅12V脉冲，宽10s。2.擦除用隧道效应。控制栅接地；源极接12V脉冲，宽为100ms。因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元。3.读出：源极接地，字线为5V逻辑高电平。6V0V12V10s0V12V100ms快闪存储器特点：集成度高，容量大，本钱低，使用方便。已有64兆位产品问世。很有开展前途。5V14精选课件第三节随机存储器〔RAM〕一、静态随机存储器SRAM特点：RAM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，所存信息就会丧失。

分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种。也可称为读写存储器。〔一〕RAM的结构1.存储矩阵21142.地址译码：双译码。3.读写控制电路：六管单元片选信号CS：控制I/O端是否处在高阻状态。读写控制信号R/W：控制电路处于读出还是写入状态。15精选课件1024字×4位〔2114〕SRAM结构16精选课件〔二〕静态RAM的存储单元1.六管NMOS静态存储单元六管NMOS2.六管CMOS静态存储单元3.双极型静态存储单元17精选课件

利用MOS管栅极电容可以暂存电荷的原理制成。因此，存储单元简单，存储容量大。但栅极电容很小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电－－刷新、再生。这就需要外围电路配合。这里只介绍四管动态存储单元。*二、动态随机存储器DRAM读出：

先加预充脉冲，使B和B线充至VDD,再使X信号有效，就可在B和B线上得到要求的电平。

这也是刷新过程。

如果使Y信号也有效，就能读出了。写入：

跟静态存储器类似。18精选课件第四节存储器容量的扩展一、位扩展方式方法：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。N=目标存储器容量已有存储器容量需要片数N=8例：用1024字×1位RAM构成1024字×8位RAM.19精选课件二、字扩展方式例：用256字×8位RAM组成1024字×8位存储器。需要片数N＝4N=目标存储器容量已有存储器容量特点：必须使用译码器。各片地址分配情况：000H0FFH100H1FFH2FFH3FFH200H300H字扩展图当要求字和位都扩展时，重复使用字扩展的电路，但译码器只用一个。20精选课件21精选课件第五节用存储器实现组合逻辑函数ROM的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形