第7章半导体存储器n

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1、1 第七章半导体存储器 7 1概述7 2只读存储器7 3随机存储器7 4存储器容量的扩展7 5用存储器实现组合逻辑函数7 6串行存储器本章小结本章 2 7 1概述 3 半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导体器件 2 存储器与寄存器的区别 1 定义 存储器 memory 是计算机系统中的记忆设备 用来存放程序和数据 计算机中的全部信息 包括输入的原始数据 计算机程序 中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中 它根据控制器指定的位置存入和取出信息 按存储介质分 半导体存储器 用半导体器件组成的存储器 磁表面存储器 用磁性材料做成的存储器 寄存器内部由触发器构成 存储容量小 例如1K需要10

2、24个触发器存储器存储容量大 例如目前动态存储器的容量可达109位 片 其内部结构与寄存器完全不同 3 4 对存储器要求 容量大 速度快 成本低 三者之间是矛盾的 目前通常采用多级存储器体系结构 即使用高速缓冲存储器 主存储器和外存储器 4 按存储方式分 按存储介质分 按信息的可保存性分 按在计算机系统中的作用分 半导体存储器 用半导体器件组成的存储器 磁表面存储器 用磁性材料做成的存储器 随机存储器 任何存储单元的内容都能被随机存取 且存取时间和存储单元的物理位置无关 顺序存储器 只能按某种顺序来存取 存取时间和存储单元的物理位置有关 非永久记忆的存储器 断电后信息即消失的存储器 永久记忆性

3、存储器 断电后仍能保存信息的存储器 根据存储器在计算机系统中所起的作用 可分为主存储器 辅助存储器 高速缓冲存储器 控制存储器等 5 存储器的分类 5 按存取功能分 触发器 电容 需要刷新 6 7 24C02的EEPROM 1024RAM 24C02EEPROM 64Kfrash 8 7 2只读存储器 ROM的分类 掩模只读存储器 MROM 只读存储器所存储的内容一般是固定不变的 正常工作时只能读数 不能写入 并且在断电后不丢失其中存储的内容 故称为只读存储器 ReadOnlyMemory 可编程只读存储器 PROM 紫外线可擦除可编程只读存储器 EPROM 电擦除可编程只读存储器 EEPRO

4、M 快闪存储器 FLASHMEMORY 9 10 几个概念 存储器地址存储器数据输出及位数存储器容量字数 位数 设地址线为n条 数据线为m条 则字数 2n 位数 字 m 存储容量 2n m 11 7 2 1掩模只读存储器 1 ROM的基本结构和工作原理 在采用掩模工艺制作ROM时 其中存储的数据是由制作过程中使用的掩模板决定的 此模板是厂家按照用户的要求专门设计的 因此出厂时数据已经 固化 在里面了 12 存储矩阵 字线 选择线 N条 位线 数据线 M条 13 地址译码器 对应于N条字线 地址译码器必须有n条地址线输入 且 N 2n 一组地址码对应一条字线 当某条字线被选中时 与该字线联系的存

5、储单元 字 就与数据线相通 进行读 写操作 14 ROM的工作原理 地址译码器根据地址码选中一条字线 只有一条 字线所对应的存储单元的各位数码经位线输出 输出缓冲器 选中的字经输出缓冲器输出 提高带负载能力 由三态控制信号决定数据输出的时刻 15 存储容量 字数 位数 存储容量 22 4 4 4 7 2 1掩模只读存储器 2 二极管ROM电路 16 图7 2 2是具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路 其地址译码器是由4个二极管与门构成 存储矩阵是由二极管或门构成 输出是由三态门组成的 图7 2 2 Y AB 17 2 二极管ROM电路 7 2 1掩模只读存储器 图7 2 2 Y A B

6、 18 2 存储距阵由或门构成 3 输出缓冲器由三态门构成 图7 2 2 A1A0为地址线 W0W1W2W3为字线 D3D2D1D0为位线 在每一个地址上 存放着一个四位数 19 VCC A1 A0 地址译码 存储矩阵 输出缓冲 二极管与数据的关系 当字线与位线的交叉点上有二极管时 数据为1 无二极管时 数据为0 数据存入厂家根据用户需要 在有些点做上二极管 有些点不做 就把数据存入存储器了 20 存储矩阵 为了便于表达和设计 通常将右图简化 有 码点 的存储单元表示存1无 码点 的存储单元表示存0 地址译码器 21 制作工艺 掩膜 光刻 特点 由厂家写入数据 不可更改 掉电不丢失数据 存储器

7、容量 所存储的二进制数的位数 即字数 位数 字 22 MOS管存储器 存储矩阵的工作原理 以W0为例 当W0 1 W1W2W3 000时 D3D2D1D0 0101 地址译码器 存储矩阵 输出缓冲器均用N沟道MOS管构成 故有MOS管的点数据为1 无MOS管为0 0101 1010 0100 1110 23 7 2 2可编程只读存储器 PROM 原理 在字线和位线上接有带熔断丝的三极管 出厂的PROM熔断丝均未熔断 由用户根据需要将熔断丝熔断 P Programmable 24 数据写入 例 将地址为0000的单元写入01111111 输入地址码0000 使W0 1 选中该组存储单元 在D7端

8、加高压脉冲 20V 使稳压管DZ导通 写入放大器AW导通 输出呈低电平 低内阻状态 有大电流流过熔断丝 将其熔断 数据读出 输入地址码0000 使W0 1 数据端不加电压 AR工作 输出数据 读出时 AR输出的5V高电平不足以使DZ导通 AW不工作 PROM特点 由用户一次性写入数据 不能修改 只能读出 25 熔丝 反熔丝反熔丝编程技术也称熔通编程技术 这类器件是用反熔丝作为开关元件 这些开关元件在未编程时处于开路状态 编程时 在需要连接处的反熔丝开关元件两端加上编程电压 反熔丝将由高阻抗变为低阻抗 实现两点间的连接 编程后器件内的反熔丝模式决定了相应器件的逻辑功能 26 7 2 3可擦除的可

9、编程只读存储器 EPROM Erasable 总体结构与PROM一样 不同之处在于存储单元 即字线与位线上接的器件 浮栅MOS管或叠栅MOS管 一 EPROM UV UltravioletEPROM紫外线擦除的可编程只读存储器 1 浮栅MOS管 以P沟道管为例 信息存储原理 若浮栅上有电子 则衬底表面可感应出空穴 形成导电沟道 可导通 状态1 27 雪崩注入 在DS间加负高压 45V 使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿 产生大量的自由电子 在强电场的作用下 穿过SiO2 到达浮栅上 将负高压撤掉后 电子没有放电通道 只能待在浮栅上 可保存十年左右 怎样去掉浮栅上的电子 擦除信息 怎样在浮栅上

10、注入电子 写入信息 加紫外线照射 浮栅上的电子获得能量 返回PN结 为方便照射 芯片的封装外壳装有透明的石英盖板 平时应封上以免日光照射使信息丢失 28 输入地址码 使字线W 0 VDD 在Di端加负高压脉冲 T1浮栅被注入电子 相当于写入1 用浮栅管作存储单元时 需用一只普通的P沟道MOS管与之串联 因其无栅极引出线 数据写入 数据读出 输入地址码 使W 0 Di端不加电压 T2导通 T1导通 Di读出1 0V 若T1浮栅上无电子 则T1不导通 Di读出0 VDD 29 2 叠栅MOS管 以N沟道管为例 克服了浮栅管无栅极的缺点 工作时不需加配合管 信息存储原理 若浮栅上无电子 则在GC上加

11、正电压 衬底表面将感应出大量电子 形成导电沟道 可导通 状态0 若浮栅上有电子 则在GC上加正电压 由于该电压与浮栅上的电子有抵消作用 故衬底表面将感应出少量电子 不能形成导电沟道 不可导通 状态1 30 怎样在浮栅上注入电子 写入信息 在DS间加正高压 使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿 产生大量的自由电子 同时在控制栅上加正高压 在此强电场的作用下 电子穿过SiO2 到达浮栅上 怎样去掉浮栅上的电子 擦除信息 紫外线照射 输入地址码 使字线W 1 VDD 在Di端加正高压脉冲 T浮栅被注入电子 相当于写入1 数据写入 数据读出 输入地址码 使W 1 Di端不加电压 T截止 Di读出1 V

12、DD 31 EPROM特点 由用户写入 可改写 32 二 E2PROM 电可擦除可编程只读存储器 ElectricallyErasable 用浮栅隧道氧化层MOS管 Flotox管 作存储单元 特点 不用紫外线擦除 用电信号擦除 信息存储原理与前相同 浮栅上有电子相当于1 无电子相当于0 注入 擦除有所不同 浮栅和漏区之间的氧化层非常薄 称为隧道区 当GC与D之间加高压时 可正可负 薄氧化层被击穿 形成导电隧道 漏区电子可以到达浮栅 GCD间加正电压 浮栅电子也可以到达漏区 GCD间负电压 因此写入和擦除都可以通过电信号来实现 写入的数据在常温下至少可以保存十年 擦除 写入次数为 万次 10万

13、次 33 Flotox管作存储单元时 需附加一普通MOS管 34 特点 可电擦除 在正常工作时只能读出 三 快闪存储器 FLASH存储器又称闪存 它结合了ROM和RAM的长处 不仅具备电子可擦除可编程 EEPROM 的性能 还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据 NVRAM的优势 U盘和MP3里用的就是这种存储器 目前Flash主要有两种NORFlash和NANDFlash 35 浮栅与衬底间的氧化层很薄浮栅与源区重叠部分面积极小 浮栅与源区间的等效电容小 浮栅与控制栅间的等效电容大 当控制栅和源极间加上电压时 大部分电压都降在浮栅与源极的电容上 36 擦除 写0 全擦令W 0V VSS 12

14、V 则隧道区氧化层被击穿 电子经隧道返回 相当于写入0 0V 6V 特点 集成度高 大容量 低成本 37 7 3随机存取储出器RAM 特点 可随机读写 掉电丢失数据 7 3 1静态RAM StaticRAM SRAM 一 SRAM的结构和工作原理 存储矩阵中的存储单元按行列结构排列 由行地址译码器和列地址译码器分别选中行线和列线 则可选中一组存储单元 读写控制电路控制数据的读出和写入 38 39 若A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 0000000000表示选中列地址为A2A1A0A9 0000 行地址为A8A7A6A5A4A3 00000000的存储单元 此时只有X0和Y0为有效 则选

15、中第一个信息单元的4个存储单元 可以对这4个存储单元进行读出或写入 40 存储容量 210字 4位 字 1024 4 4096位 符号 41 二 SRAM的静态存储单元 1 NMOS型静态存储单元 T5 T6是存储单元的门控管 由行线Xi控制 T7 T8是一列存储单元共用的门控管 由列线Yj控制 42 掉电时 整个电路无法工作 数据全部丢失 43 SRAM芯片举例 Intel2114A是1K字 4位SRAM 它是双列直插18脚封装器件 采用5V供电 与TTL电平完全兼容 44 静态读写存储器 SRAM 集成电路6264简介 采用CMOS工艺制成 存储容量为8K 8位 典型存取时间为100ns

16、电源电压 5V 工作电流40mA 维持电压为2V 维持电流为2 A 8K 213 有13条地址线A0 A12 每字有 位 有 条数据线I O0 I O7 四条控制线 45 6264的工作方式表 46 2 CMOS型 双极性静态存储单元 CMOS型特点 功耗低 可由备用电池供电保存数据 缺点是制造工艺复杂 双极型特点 速度快 但功耗大 工作原理自学 7 3 2动态随机存储器 DRAM DynamicRAM 静态RAM的缺点 管子多 功耗大 集成度低优点 速度快 使用方便 不用刷新 动态RAM利用MOS管栅极电容的电荷存储效应存储信息 需要定期给电容补充电荷 即刷新 以单管电路为例 DDRRAM Double Date RateRAM 47 工作原理 写入 X 1 T导通 位线B上的数据经过T存入CS 读出 X 1 T导通 Q与B接通 若Q 0 则B 0 若Q 1 则CS对CB充电 但充电后的高电平会降低很多 为破坏性读出 CB为分布电容 CB CS 48 DRAM芯片举例 DRAM2116有七位地址输入 行 列地址复用的16K 1位的DRAM 49 常见存储器规格型号 50 设地址线为n