7半导体存储器

nullnull7 半导体存储器引言 半导体存储器：用以存储二进制信息的器件。 半导体存储器分类：只读存储器（ROM） 随机存取存储（RAM） 　　本章主要内容： 　 随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的结构、工作原理及存储器容量扩展的方法； null1）存储容量 存储器存放二进制信息的总位数，即存储容量=存储单元数（字数）×每个单元的位数。 2）最大存取时间 访问一次存储器（对指定单元写入或读出）所需要的时间，这个时间的上限即最大存取时间，一般为十几ns～几百ns。最大存取时间越小，存储器芯片的工作速度越快。7.1半导体存储器的功能、分类和主要性能指标null3）分类存储器的分类RAM ROM双极型单极型静态动态ROMPROMEPROME2PROM闪速存储器null7.2 只读存储器ROMROM：在正常工作时，数据只能读出，不能随时写入。 掉电后存储器的数据不会丢失。ROM的种类较多，按内部结构分，有二极管ROM、双极型管和MOS管 3种。按数据的写入方式可分为5种。 null按使用器件的类型分 7.2.1 ROM的分类与特点二极管ROM 双极型三极管ROM MOS管ROMnull固定ROM： 出厂时已完全固定下来，使用时无法再更改， 也称掩模编程ROM。 PROM： 允许用户根据需要写入，但只能写一次。 EPROM： 允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入， 但操作复杂、费时。 EEPROM： 允许用户根据需要写入，可以擦除后重新写入， 操作比较简便、快捷。 闪速存储器：仍是ROM，兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特 点，既有存储内容非丢失性，又有快速擦写和 读取 的特性。按数据的写入方式分：nullnullROM的结构1.二极管ROM7.2.2 固定R0Mnull电路组成：具有两位地址输入码和4位数据输出的ROM 的结构如下图所示。二极管ROM读操作 使三态缓冲器的/EN=0，从A1A0输入指定的地址码，则由地址所指定的存储单元中存放的数据便出现在输出数据线上。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2n×m(字线×位线)。 ROM中的存储体可以由二极管、三极管和MOS管来实现。 在对应的存储单元内存入的是1还是0，是由接入或不接入相应的二极管来决定的。 null7.2.3可编程只读存储器（PROM） 　　PROM 出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为 全 1(或全 0) 。用户可借助编程工具将某些单元改写为 0 (或 1) ,这只要将需储 0(或 1)单元的熔丝烧断即可。 熔丝烧断后不可恢复，因此 PROM 只能一次编程。 null找到要输入0的单元地址，输入地址代码，使相应字线输出高电平在相应位线上加高电压脉冲，使DZ导通，大电流使熔断丝熔断肖特基势垒稳压二极管快速熔断丝null7.2.4 可擦可编程只读ROM（EPROM）EPROM 是一种可以多次擦除和改写内容的 ROM。它与PROM 的总体结构相似，只是采用了不同的存储单元。（1）浮栅注入 MOS 管（FAMOS 管）存储单元采用两只 MOS管 缺点：集成度低、击穿电压高、速度较慢1）光可擦除可编程ROM （EPROM）null浮置栅EPROM (a) 浮置栅MOS管的结构 (b) EPROM存储单元带负电 -导通 -存0不带电 -截止 -存1null　　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，７０％以上的电荷能保存１０年以上。 　　如果用紫外线照射FAMOS管１０～３０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。null层叠栅存储单元 （2）叠层栅注入 MOS 管（SIMOS 管）null叠层栅MOS管剖面示意图 控制栅 与字线 相连，控制信息的读出和写入浮栅 埋在二氧化硅绝缘层，处于电“悬浮”状态，不与外部导通，注入电荷后可长期保存null1 信息： 出厂时所有存储单元的浮栅均无电荷，可认为全部存储了1 信息。0 信息： 在 SIMOS 管的漏极和源极（地）之间加上较高的电压（约 25V） ，形成雪崩击穿现象，产生大量高能电子。 同时在控制栅极上加高压正脉冲（50ms，25V） ，则在控制栅正脉冲电压的吸引下，部分高能电子将穿过二氧化硅层到达浮栅，被浮栅俘获，浮栅注入电荷，注入电荷的浮栅可认为写入 0。信息写入 null栅极加+5V电压，该SIMOS管不导通，只能读出所存储的内容，不能写入信息。正常工作信息擦除紫外线照射SIMOS管时，浮栅上的电子形成光电流而泄放，又恢复到编程前的状态，即将其存储内容擦除。常用的EPROM集成芯片 Intel 2716（2K×8位）、2732（4K×8位）、2764（8K×8位）、27128（16K×8位）、27256（32K×8位） 实际中，EPROM芯片的编程和擦除操作是使用专门的编程器和擦除器完成的。 null2）电可擦除可编程只读ROM （E2PROM） 特点： ①编程和擦除均由电完成； ②既可整片擦除，也可使某些存储单元单独擦除； ③重复编程次数大大高于EPROM. nullE2PROM存储单元 T2是门控管 T1是浮栅隧道氧化层MOS管（简称Flotox管） nullFlotox管剖面示意图 null1 状态： 令Wi=1、Yj=0，则T2导通，T1漏极D1接近0电平，然后在擦写栅G1加上21V正脉冲，就可以在浮栅与漏极区之间的极薄绝缘层内出现隧道，通过隧道效应，使电子注入浮栅。0 状态： 擦写栅接0电平、Wi=1、Yj加上21V正脉冲，使T1漏极获得大约+20V的高电压，则浮栅上的电子通过隧道返回衬底，则浮栅上就没有注入电子，定义为0状态。 信息写入根据浮栅上是否注入电子来定义0和1状态 浮栅注入电子是利用隧道效应进行的。null信息读出 读出1： 擦写栅加+3V电压，字线加+5V正常电平，这时T2管导通，若浮栅上有注入电子，则T1不能导通，在位线上可读出1.读出0: 若浮栅上没有注入电子，则T1导通，在位线上可读出0。 null擦写栅和待擦除单元的字线上加21V的正脉冲，漏极接低电平，即可使存储单元回到写入0前的状态，完成擦除操作。 早期E2PROM芯片都需用高电压脉冲进行编程和擦写，由专用编程器来完成。 但目前绝大多数E2PROM集成芯片都在内部设置了升压电路，使擦、写、读都可在+5V电源下进行，不需要编程器。 信息擦除null3）快闪只读存储器（Flash Memory）快闪只读存储器是在吸收E2PROM擦写方便和EPROM结构简单、编程可靠的基础上研制出来的一种新型器件，它是采用一种类似于EPROM的单管叠栅结构的存储单元制成的新一代用电信号擦除的可编程ROM。 null快闪存储器存储单元 null叠栅MOS管剖面示意图 null1 状态： 浮栅未注入电子，相当于存储1。0 状态： 利用雪崩注入的方法使浮栅充电，相当于存储0；信息写入与EPROM相同null读出1： 反之，若浮栅上有注入电子，叠栅MOS管截止，位线输出高电平。读出0: 令Wi=1，Vss=0，若浮栅上没有注入电子，则叠栅MOS管导通，位线输出低电平；注入电子，则T1导通，在位线上可读出0。 信息读出null信息擦除快闪只读存储器的擦除方法与E2PROM类似，是利用隧道效应来完成的。在擦除状态下，控制栅G处于0电平，源极加入高压脉冲（12V），在浮栅与源区间很小的重叠区域产生隧道效应，使浮栅上的电荷经隧道释放。 集成 EPROM 举例 集成 EPROM 举例 27 系列 EPROM 是最常用的 EPROM，型号从 2716、2732、2764 一直到 27C040。存储容量分别为 2K  8、4K  8一直到 512K  8。下面以 Intel 2716 为例，介绍其功能及使用方法。null　　 A10 ~ A0 为地址码输入端。　　D7 ~ D0 为数据线，工作时为数据输出端，编程时为写入数据输入端。　　VCC 和 GND：+5 V 工作电源和地。　　VPP 为编程高电平输入端。编程时加 +25 V 电压，工作时加 +5 V 电压。 (一) 引脚图及其功能 存储容量为 2 K 字 nullnullnull7.3半导体随机存取存储器RAMRAM：又称读写存储器。使用RAM时能随机从任一指定地址读出（取出）数据或写入（存入）数据。它读、写方便，但一旦断电，所存储的数据也随即丢失，因此不利于数据的长期保存。RAM分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。7.3.1RAM的结构及工作原理 nullnull1）RAM的结构及工作原理 null 图中，1024个字排列成32×32的矩阵。为了存取方便，给它们编上号。 32行编号为X0、X1、…、X31， 32列编号为Y0、Y1、…、Y31。 每一个存储单元（一个存储器）都有了一个固定的编号，称为地址。 （1）地址译码器和存储矩阵 地址译码器：采用双译码结构。 行地址译码器：5输入32输出，输入为A0、A1 、…、A4， 输出为X0、X1、…、X31； 列地址译码器：5输入32输出，输入为A5、A6 、…、A9，输出为Y0、Y1、…、Y31， 共有10条地址线。（2）片选及读/写控制电路（2）片选及读/写控制电路读/写控制信号片选信号2）RAM的存储单元2）RAM的存储单元（SRAM）（1）静态存储单元 存储单元VDD&&Xi 行Yj列I/OG1G2读 \ 写控制电路CSR/WT6T5T7T8Bj位Bj位A2A1A3T1T2T3T4QQT1~T4组成基本RS触发器，用于记忆一位二值代码。T5、T6是存储单元与位线间的门控管：T7、T8是位线与读/写控制电路间的门控管：Yj =1时，T7、T8导通，总之：当Xi=1且Yj =1时，Bj、Bj和Q、Q接通。Bj、Bj和读/写控制 电路接通。第i 行、j 列的存储单元 和读/写控制电路接通。Xi=1时，T5、T6导通，11null(2 )动态存储单元(DRAM)利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来组成动态存储器。优点：单元电路简单缺点：由于栅极电容的容量很小，通常只有几个pF，且不可能没有漏电流，所以，电荷的存储时间有限。 克服的办法：为了能及时的补充泄漏掉的电荷，以避免存储信息的丢失，必须定时地给栅极电容补充电荷，把这种操作叫做刷新。 null电路结构（以单管动态存储单元为例）写信息：字选线为1，T导通， 数据D经T送入CS .读信息：字选线为1，T导通， CS上的数据经T送入位线的等 效电容CD . null1）当不读信息时，电荷在电容CS上的保存时 间约为数毫秒到数百毫秒； 2）当读出信息时，由于要对CD充电，使CS 上的电荷减少。为破坏性读出。3）通常在CS上呈现的代表1和0信号的电平值 相差不大，故信号较弱。特点：null1）需加刷新电路；2）输出端需加高鉴别能力的输出放大器。3）容量较大的RAM集成电路一 般采用单管电路。4）容量较小的RAM集成电路一 般采用三 管或四 管电路。多管电路结构复杂，但外围电路简单。结论：null具有刷新DRAMnull 7.3.2 典型RAM芯片 1） SRAM芯片null　　 A0 ~ A9 为地址码输入端。　　4 个 I/O 脚为双向数据线，用于读出或写入数据。VDD 接 +5 V。信号与 TTL 电平兼容。null常见存储器规格型号7.4 半导体存储器的应用简介 7.4 半导体存储器的应用简介 当用存储器芯片容量不能满足存储容量的需要时，可以将若干片存储器芯片组合到一起，接成一个存储容量更大的存储器，这就是存储器的扩展 7.4.1 容量扩展的方法 null（1）RAM的位扩展将2114扩展为1K×8位的RAM要达到这个目的方法很简单，只要把各片地址线对应连接在一起，而数据线并行使用即可，示范接线如下图：null（2）RAM的字扩展将2114扩展为2K×4位的RAMnull（2）RAM的字扩展通过用1024×4 ( 4片2114 ) 构成4096×4为例，介绍解决这类问题的办法。(1) 访问4096个单元，必然有 12 根地址线；(2) 访问 RAM2114，只需 10 根地址线，尚余 2根地址线 ；(3) 设法用剩余的 2根地址线去控制4个2114的片选端 。思路：nullnullA11A10选中片序号对应的存储单元 0 0 1 12114(1)2114(2)2114(3)2114(4)0000 ~ 10231024 ~ 20472048 ~ 30713072 ~ 4095 0 1 1 0四、用 PROM 实现组合逻辑函数四、用 PROM 实现组合逻辑函数 下面将根据二极管 ROM 的 结构图加以说明 (已编程二极管 PROM 的 结构与之同理) ： 1. 为什么用 PROM 能实现组合逻辑函数？ 地址译码器能译出地址码的全部最小项 图中 当 A1 A0 = 11 时，只有 W3 =1 ，而 W0、W1、W2 = 0， 即译出最小项 m3 ； 当 A1 A0 = 10 时，只有 W2 =1 ，而 W0、W1、W3 = 0， 即译出最小项 m2 ； 其余类推。null 为了便于用 PROM 实现组合逻辑函数，首先需要理解 PROM 结构的习惯画法。 2. PROM 结构的习惯画法nullnull3. 怎样用 PROM 实现组合逻辑函数？(2) 确定存储单元内容　　由函数 Y1、Y2 的标准与 - 或式知： 　　与 Y1 相应的存储单元中，字线 W1、W4、W5、W6 对应的存储单元应为 1；对应 m1、m4、m5、m6　　与 Y2 相应的存储单元中，字线 W3、W5、W6、W7 对应的存储单元应为 1。null(3) 画出用 PROM 实现的逻辑图null本章小节2．RAM是一种时序逻辑电路，具有记忆功能。其存储的数据随电源断电而消失，因此是一种易失性的读写存储器。它包含有SRAM和DRAM两种类型，前者用触发器记忆数据，后者靠MOS管栅极电容存储数据。因此，在不停电的情况下，SRAM的数据可以长久保持，而DRAM则必需定期刷新。1．半导体存储器是现代数字系统特别是计算机系统中的重要组成部件，它可分为RAM和ROM两大类。3．ROM是一种非易失性的存储器，它存储的是固定数据，一般只能被读出。根据数据写入方式的不同，ROM又可分成固定ROM和可编程ROM。后者又可细分为PROM、EPROM、E2PROM和快闪存储器等，特别是E2ROM和快闪存储器可以进行电擦写，已兼有了RAM的特性。4．从逻辑电路构成的角度看，ROM是由与门阵列（地址译码器）和或门阵列（存储矩阵）构成的组合逻辑电路。ROM的输出是输入最小项的组合。因此采用ROM构成各种逻辑函数不需化简，这给逻辑 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 带来很大方便。随着大规模集成电路成本的不断下降，利用ROM构成各种组合、时序电路，愈来愈具有吸引力。