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1、第七章 半导体存储器,学习要点：介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方法只读存储器(ROM、PROM、EPROM和快闪存储器)随机存储器（DRAM、SRAM）存储器容量的扩展及用存储器设计组合逻辑电路的概念,7.4 存储器容量的扩展,7.3 随机存储器（RAM）,7.2 只读存储器（ROM）,7.1 概述,7.5 用存储器实现组合逻辑函数,第七章 半导体存储器,7.1 概 述,半导体存储器是能存储大量二值信息的半导体器件。,从存、取功能上分为,衡量存储器性能的重要指标：存储容量和存取速度。,只读存储器（ROM）,优点：电路结构简单，断电后数据不丢失,缺点：只适用于存储固定数据的场合,随机存储器
2、（RAM）,从制造工艺上分为,双极型,MOS型,功耗低，集成度高，适于制作大容量的存储器,DRAM:结构简单，集成度高，速度低,SRAM:集成度低，速度高,7.2 只读存储器（ROM）,7.2.1 掩模只读存储器(ROM),退出,7.2.2 可编程只读存储器(PROM),7.2.3 可擦除的可编程只读存储器(EPROM),存储容量字线数位线数2nb（位）,存储单元地址,将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用控制信号从存储矩阵中选出指定的单元，并把其中的数据送到输出缓冲器,有许多存储单元（二极管、双极型三极管或MOS管）排列组成。每个单元存放1位二值代码（0或1）。每一组存储单元有一个对应的地
3、址代码。,能提高存储器的带负载能力，实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线联接,7.2.1 掩模只读存储器(ROM),地址线,位线,字线与位线的每个交叉点都是一个存储单元。交点处接有二极管相当于存1，没接二极管时相当于存0。交叉点的数目=存储单元数，存储容量=(字数)(位数),用二极管制作的ROM,W0 W1 W2 W3,二极管与门阵列译码器,二极管或门阵列编码器,字线,用MOS 工艺制作的ROM,用N沟道增强型MOS管代替二极管。字线与位线的每个交叉点处接有MOS 管相当于存1，没接MOS 管时相当于存0。,注：接有MOS管的位线由于MOS管导通为低电平，经反相缓冲器输出为高电平。,用M
4、OS管构成的存储矩阵,44位ROM,地址译码器,存储体,存储内容,未连接的或门,对于给定的地址，,相应一条字线输出高电平，,与该字线相连接的或门输出为1，,输出为0。,A1=0A0=0,W0=1,W1=0,W2=0,W3=0,D3=1,D1=1,D0=1,D2=0,A1=0A0=1,W0=0,W1=1,W2=0,W3=0,D3=0,D1=0,D0=1,D2=1,A1=1A0=0,W0=0,W1=0,W2=1,W3=0,D3=1,D1=0,D0=0,D2=1,A1=1A0=1,W0=0,W1=0,W2=0,W3=1,D3=0,D1=1,D0=1,D2=1,ROM的简化画法,地址译码器产生了输入变
5、量的全部最小项,存储体实现了有关最小项的或运算,与阵列固定,或阵列可编程,连接,断开,熔丝型PROM的存储单元,7.2.2 可编程只读存储器(PROM),出厂时所有存储单元都存入1。,编程时先输入地址代码，找出要写入0的单元地址。然后使VCC和选中的字线提高到编程所需要的高电平，同时在编程单元的位线上加入编程脉冲(幅度约20V，持续时间约几微秒)，此时写入放大器AW的输出为低电平，低内阻状态，熔丝熔断。,PROM的内容一经写入，就不能修改。,PROM管的结构原理图,7.2.3 可擦除的可编程只读存储器(PROM),一、EPROM(UVEPROM),采用叠栅注入MOS管（SIMOS）制作的存储单
6、元,控制栅GC用于控制读出和写入。,浮置栅Gf用于长期保存注入电荷。,1.浮置栅上未注入电荷以前，在控制栅上加入正常高电平电压，能够使漏源之间产生导电沟道，SIMOS导通。,2.浮置栅上注入负电荷以后，必须在控制栅上加入更高电压才能抵消注入电荷的影响而形成导电沟道，因此在栅极加上正常的高电平信号时SIMOS不会导通。,EPROM具有和录音带相似的特点：一方面，在停电以后，信息可长期保存；另一方面，当不需这些信息时，又可擦去重写。,用紫外线照射进行擦除的UVEPROM、用电信号擦除的E2PROM和快闪存储器(Flash Memory)。,浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。,用紫外线照射芯片上的玻
7、璃窗，则形成光电电流，把栅极电子带回到多晶硅衬底，SIMOS管恢复到初始的导通状态。,二、E2PROM（电信号可擦除的可编程ROM）,前面研究的可擦写存储器的缺点是要擦除已存入的信息必须用紫外光照射一定的时间，因此不能用于快速改变储存信息的场合，用隧道型储存单元制成的存储器克服了这一缺点，它称为电可改写只读存储器E2PROM，即电擦除、电编程的只读存储器。,它与叠栅型管的不同在于浮栅延长区与漏区N 之间的交叠处有一个厚度约为80埃的薄绝缘层，称为隧道区。,浮栅隧道氧化层MOS管,存储管,选通管,三、快闪存储器（Flash Memory）,闪速存储单元去掉了隧道型存储单元的选择管，它不像E2PR
8、OM那样一次只能擦除一个字，而是可以用一个信号，在几毫秒内擦除一大区段。,因此，闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简单、更有效，使用闪速存储单元制成的PLD器件密度更高。,闪速存储单元又称为快擦快写存储单元。,Flash工作原理类似于叠栅型存储单元，但有两点不同之处：,1.闪速存储单元源极的区域Sn+大于漏极的区域Dn+，两区域不是对称的，使浮栅上的电子进行分级双扩散，电子扩散的速度远远大于叠栅型存储单元；,2.叠栅存储单元的浮栅到P型衬底间的氧化物层约200埃左右，而闪速存储单元的氧化物层更薄，约为100埃。,快闪存储器中的叠栅MOS管,利用雪崩击穿的方法使浮栅充电,若浮置栅上没有充电
9、，位线上输出低电平；,若浮置栅上充有负电荷，位线上输出高电平；,利用隧道效应完成,7.3 随机存储器（RAM）,特点：工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，,静态随机存储器(SRAM),优点：读、写方便，使用灵活。,缺点：一旦停电，所存储的数据将随之消失。,也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中。,动态随机存储器(DRAM),7.3 随机存储器（RAM）,7.3.1 静态随机存储器(SRAM),退出,7.3.2 动态随机存储器(DRAM),CS R/W,由大量存储单元构成的矩阵,用以决定访问哪个字单元,读出及写入数据的通道,用以决定芯片是否工作,用以决定对被选中的单元是读还是写,7.
10、3.1 静态随机存储器(SRAM),一、SRAM的结构和工作原理,地址的选择通过地址译码器来实现。地址译码器由行译码器和列译码器组成。行、列译码器的输出即为行、列选择线，由它们共同确定欲选择的地址单元。,2564 RAM存储矩阵中，256个字需要8位地址码A7A0。其中高3位A7A5用于列译码输入，低5位A4A0用于行译码输入。A7A0=00100010时，Y1=1、X2=1，选中X2和Y1交叉的字单元。,01000,1 0 0,存储单元,1024个存储单元排成32行32列的矩阵,1024 4位RAM（2114）的结构框图,MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态
11、。,二、SRAM的静态存储单元,六管NMOS静态存储单元,RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。,MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态。,二、SRAM的静态存储单元,六管NMOS静态存储单元,RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。,1,1,数据读出,MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态。,六管NMOS静态存储单元,二、SRAM的静态存储单元,RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。,当使能为低电平，写也为低电平时，三态门A2将输入数据Di通过T7、T5作用于T3栅极，同时将D
12、i的互补值通过T8及T6作用于T1的栅极，从而使触发器按Di翻转，完成写入。,1,1,数据写入,二、SRAM的静态存储单元,双极型RAM的静态存储单元,六管CMOS静态存储单元,集成2kB8位RAM6116,写入控制端,片选端,输出使能端,7.3.2 动态随机存储器(SRAM),DRAM的基本存储单元是单个场效应管及其极间电容读出时，为破坏性读出，使用时需周期性刷新必须配备“读出再生放大电路”进行刷新DRAM一般采用“位结构”存储体：每个存储单元存放一位 需要8个存储芯片构成一个字节单元 每个字节存储单元具有一个地址,位扩展,将地址线、读写线和片选线对应地并联在一起,输入输出（I/O）分开使用
13、作为字的各个位线,7.4 存储容量的扩展,用8片10241位RAM扩展成10248位RAM,用4片2568位RAM扩展成10248位RAM,输入输出（I/O）线并联,要增加的地址线A8、A9与译码器的输入相连，译码器的输出分别接至8片RAM的片选控制端,字扩展,各片RAM电路的地址分配表,ROM电路中的译码器的输出包含了输入变量全部的最小项，而每一位数据输出又是若干个最小项之和，因而任何形式的组合逻辑函数均能通过向ROM中写入相应的数据来实现。,7.5 用存储器实现组合逻辑函数,原 理,用具有n位输入地址、m位数据输出的ROM可以获得一组(最多为n个)任何形式的n变量组合逻辑函数，只要根据函数
14、的形式向ROM中写入相应的数据。此原理也适用于RAM。,【例7.5.1】用ROM设计一个八段字符显示的译码器，其真值表为：,例如 a的状态分别为1011011111100011,解：将上式化为最小项和的形式得到,例2：用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数,或,取4位地址输入，4位数据输出的164位ROM,将A、B、C、D4个输入变量分别接至地址输入端，按照输出逻辑函数的最小项表达式可以列出ROM存储矩阵中应存入的数据表：,本节小结：,随机存取存储器（RAM）可以在任意时刻、对任意选中的存储单元进行信息的存入（写入）或取出（读出）操作。与只读存储器ROM相比，RAM最大的优点是存取方便，使用灵活
15、，既能不破坏地读出所存信息，又能随时写入新的内容。其缺点是一旦停电，所存内容便全部丢失。RAM由存储矩阵、地址译码器、读写控制电路、输入输出电路和片选控制电路等组成。实际上RAM是由许许多多的基本寄存器组合起来构成的大规模集成电路。当单片RAM不能满足存储容量的要求时，可以把若干片RAM联在一起，以扩展存储容量，扩展的方法有位扩展和字扩展两种，在实际应用中，常将两种方法相互结合来达到预期要求。,只读存储器在存入数据以后，不能用简单的方法更改，即在工作时它的存储内容是固定不变的，只能从中读出信息，不能写入信息，并且其所存储的信息在断电后仍能保持，常用于存放固定的信息。ROM由地址译码器和存储体两部分构成。地址译码器产生了输入变量的全部最小项，即实现了对输入变量的与运算；存储体实现了有关最小项的或运算。因此，ROM实际上是由与门阵列和或门阵列构成的组合电路，利用ROM可以实现任何组合逻辑函数。利用ROM实现组合函数的步骤：（1）列出函数的真值表或写出函数的最小项表达式。（2）选择合适的ROM，列出存储矩阵中应存入的数据表。（3）画出函数的阵列图。,
