第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件

《第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件（117页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件第7章 半导体存储器和可编程逻辑器件 7.1 概述概述 1. 大规模集成电路分类 大规模集成电路分类 （1）半导体存储器 半导体存储器 半导体存储器是现代数字系统特别是计算机中的重要组 半导体存储器是现代数字系统特别是计算机中的重要组 成部分之一。 成部分之一。 它用于存放二进制信息，主要以半导体器件 它用于存放二进制信息，主要以半导体器件 为基本存储单元，用集成工艺制成。 为基本存储单元，用集成工艺制成。 每一片存储芯片包含大量的存储单元，每一个存储单元 每一片存储芯片包含大量的存储单元，每一个存储单元 由唯一的地址代码加以区分，并能存储一位或多位二进制

2、由唯一的地址代码加以区分，并能存储一位或多位二进制 信息。信息。 （2）可编程逻辑器件 可编程逻辑器件 （Programmable Logic Device，PLD） ） （3）微处理器 微处理器 可编程逻辑器件可编程逻辑器件是是20世纪世纪70年代后期发展起来的一种功能特殊 年代后期发展起来的一种功能特殊 的大规模集成电路，它是一种可以由用户定义和设置逻辑功能 的大规模集成电路，它是一种可以由用户定义和设置逻辑功能 的器件。 的器件。 微处理器微处理器主要指通用的微处理机芯片，它的功能由汇编语言 主要指通用的微处理机芯片，它的功能由汇编语言 编写的程序来确定，具有一定的灵活性。但该器件很难与

3、其 编写的程序来确定，具有一定的灵活性。但该器件很难与其 他类型的器件直接配合，应用时需要用户设计专门接口电路。 他类型的器件直接配合，应用时需要用户设计专门接口电路。 特点：特点：结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高 结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高 微处理器是构成计算机的主要部件。目前除用作微处理器是构成计算机的主要部件。目前除用作CPU外外，多 ，多 用于实时处理系统。用于实时处理系统。 2. PLD器件的连接表示方法 器件的连接表示方法 固定连接 固定连接 可编程连接 可编程连接 不连接 不连接 （1）PLD 器件的连接表示法器件的连接表示法 （2）门电路表示法门电路表示法

4、 1 A A 1 A A A A 反向缓冲器反向缓冲器 A B C & F A B C & F 与门与门 A B C 1 F A B C 1 F 或门 或门 缓冲器缓冲器 （3） ） 阵列图阵列图 1 A 1 B 1 C & & & & D=BC E=AABBCC=0 F=AABBCC=0 G=1 7.2 半导体存储器半导体存储器 7.2.1 半导体存储器概述 半导体存储器概述 半导体存储器半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规 是用半导体器件来存储二值信息的大规 模集成电路。模集成电路。 1. 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 随机存取存储器随机存取存储器（Random Acce

5、ss Memory，RAM） RAM可以随时从任一指定地址读出数据可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时 也可以随时 把数据写入任何指定的存储单元把数据写入任何指定的存储单元.数据不可长期保留数据不可长期保留, 断电后立即消失断电后立即消失。 。 只读存储器（只读存储器（Read Only Memory，ROM） ROM存放固定信息存放固定信息,只能读出信息只能读出信息,不能写入信息不能写入信息.当电 当电 源切断时源切断时,信息依然保留信息依然保留. （1）按存取方式分类）按存取方式分类 （2）按制造工艺分类 按制造工艺分类 双极型半导体存储器双极型半导体存储器 MOS型半导体存储器 型

6、半导体存储器 以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、功耗大、 以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、功耗大、 价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，如在计算 价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，如在计算 机中用作高速缓冲存储器。 机中用作高速缓冲存储器。 以以MOS触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成度高触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成度高、 、 功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统 功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统 中，如在计算机中用作主存储器。中，如在计算机中用作主存储器。 2. 半导体存储器的主

7、要技术指标 半导体存储器的主要技术指标 （1）存储容量 存储容量 指存储器所能存放的二进制信息的总量 指存储器所能存放的二进制信息的总量 （2）存取时间 存取时间 一般用一般用读读（或写（或写）周期周期来描述，连续两次读（来描述，连续两次读（或写） 或写） 操作的最短时间间隔称为读操作的最短时间间隔称为读（或写（或写）周期。周期。 7.2.2 只读存储器只读存储器(ROM) 按数据的写入方式分类 按数据的写入方式分类 固定固定 ROM 可编程可编程 ROM 1. 固定固定 ROM （1） ROM的结构的结构 . . . . . . A 0 A 1 A n1 地地 址址 译译 码码 器 器 存储

8、阵列存储阵列 2 n m W 0 W 1 W 2 n 1 F 0 F 1 F m1 字线 字线 位线 位线 地址线地址线 1) 地址译码器为二进制译码器地址译码器为二进制译码器,即全译码结构即全译码结构.(地址线为地址线为 n根根,译码器输出为译码器输出为2 n 根字线根字线,说明存储阵列中有说明存储阵列中有2 n 个个存 存 储单元储单元) 2) 存储阵列输出有存储阵列输出有m根位线根位线,说明每个说明每个存储单元存储单元有有m位位,即 即 一个字有一个字有m位二进制信息组成位二进制信息组成.每一位称为一个每一位称为一个基本存 基本存 储单元储单元. 3) 存储器的容量定义为存储器的容量定义

9、为: 字数位数字数位数(2 n m). （2）一个二极管一个二极管ROM的例子的例子 A 1 A 0 F 0 F 1 F 2 F 3 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 A 1 1 A 0 & & & & W 0 W 1 W 2 W 3 F 0 F 1 F 2 F 3 位线位线 字线字线 W 0 W 3 为地址译码器的输出为地址译码器的输出 W i =m i (m i 为地址码组成 为地址码组成 的最小项） 的最小项） 当当A 1 A 0 =00时，时，W 0 =1, F 0 F 1 F 2 F 3 =0100(一个字）； 一个字

10、）； 当当A 1 A 0 =01时，时，W 1 =1, F 0 F 1 F 2 F 3 =1001(一个字）； 一个字）； 当当A 1 A 0 =10时，时，W 2 =1, F 0 F 1 F 2 F 3 =0110(一个字）； 一个字）； 当当A 1 A 0 =11时，时，W 3 =1, F 0 F 1 F 2 F 3 =0010(一个字）。一个字）。 将地址输入和将地址输入和F i 之间的关系填入真值表得之间的关系填入真值表得： ： 地址 地址 数据数据 A 1 A 0 F 0 F 1 F 2 F 3 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0

11、1 0 F 0 =A 1 A 0 F 1 =A 1 A 0 +A 1 A 0 F 2 =A 1 A 0 + A 1 A 0 F 3 =A 1 A 0 ROM实际是一种组合电路结构。实际是一种组合电路结构。 阵列图 阵列图 与阵列与阵列： ： 表示译 表示译 码器。 码器。 或阵列： 或阵列： 表示存 表示存 储阵列。 储阵列。 存储容量为：存储容量为： 44 地址 地址 数据数据 A 1 A 0 F 0 F 1 F 2 F 3 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 A 1 1 A 0 & & & & 1 1 1 1 F 0 F 1

12、F 2 F 3 m 0 m 1 m 2 m 3 F 0 =A 1 A 0 F 1 =A 1 A 0 +A 1 A 0 F 2 =A 1 A 0 + A 1 A 0 F 3 =A 1 A 0 2.可编程可编程ROM 用户可根据需要自行进行编程的存储器用户可根据需要自行进行编程的存储器. 一次性可编程一次性可编程 ROM （Programmable Read Only Memory，PROM） ） 光可擦除可编程光可擦除可编程ROM （Erasable Programmable Read Only Memory， EPROM） ） 电可擦除可编程电可擦除可编程 ROM （Electrical Er

13、asable Programmable Read Only Memory， E 2 PROM） ） 快闪存储器快闪存储器（Flash Memory） 位线 位线 字线 字线 编程为一次性的编程为一次性的,烧断的熔丝 烧断的熔丝 不能再接上不能再接上. 当在该位上需要存当在该位上需要存0时时,通过 通过 编程编程,烧断熔丝烧断熔丝当需存当需存1时时, 保留熔丝保留熔丝. （1）一次性可编程一次性可编程 ROM（PROM） PROM的结构图的结构图 （2）光可擦除可编程光可擦除可编程ROM （EPROM） EPROM 是一种可以多次擦除和改写内容的是一种可以多次擦除和改写内容的 ROM。 。 它与

14、它与PROM 的总体结构相似，只是采用了不同的存储单元。的总体结构相似，只是采用了不同的存储单元。 1）浮栅注入）浮栅注入 MOS 管（管（FAMOS 管） 管） 存储单元采用两只存储单元采用两只 MOS管 管 缺点：缺点：集成度低、击穿电压高、速度较慢集成度低、击穿电压高、速度较慢 层叠栅存储单元层叠栅存储单元 2）叠层栅注入）叠层栅注入 MOS 管管（SIMOS 管）管） 叠层栅叠层栅MOS管剖面示意图 管剖面示意图 控制栅 控制栅 与字线 与字线 相连，控制信息的读 相连，控制信息的读 出和写入。 出和写入。 浮栅 浮栅 埋在二氧化硅绝缘层，处于 埋在二氧化硅绝缘层，处于 电电“悬浮悬浮

15、”状态，不与外部导 状态，不与外部导 通，注入电荷后可长期保存。通，注入电荷后可长期保存。 1 信息信息： ： 出厂时所有存储单元的出厂时所有存储单元的浮栅均无 浮栅均无 电荷电荷，可认为全部存储了，可认为全部存储了1 信息。信息。 0 信息信息： ： 在在 SIMOS 管的漏极和源极管的漏极和源极(地地)之间加上较高的电压之间加上较高的电压(约约 25V),形 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 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（压正脉冲（50ms，25V） ） ，则在控制栅正脉冲电压的吸引下， ，则在控制栅正脉冲电压的吸引下， 部分高

16、能电子将穿过二氧化硅层到达浮栅，被浮栅俘获，浮栅 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，注入电荷的浮栅注入电荷的浮栅可认为写入可认为写入 0。 。 信息写入信息写入 栅极加栅极加+5V电压，该电压，该SIMOS管不导通，只能读出所存储的内 管不导通，只能读出所存储的内 容，不能写入信息。 容，不能写入信息。 正常工作 正常工作 信息擦除 信息擦除 紫外线照射紫外线照射SIMOS管时，浮栅上的电子形成光电流而泄放，又 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。 恢复到编程前的状态，即将其存储内容擦除。 常用的常用的EPROM集成芯片集成芯片 Intel 2716（2K8位）、位）、 2732（4K