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1、第七章第七章第七章第七章 半导体存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器学习要点：学习要点：介绍各种半导体存储器的工作原理和使介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方法用方法只读存储器只读存储器( (ROMROM、PROMPROM、EPROMEPROM和快闪和快闪存储器存储器) )随机存储器（随机存储器（DRAMDRAM、SRAMSRAM）存储器容量的扩展及用存储器设计组合存储器容量的扩展及用存储器设计组合逻辑电路的概念逻辑电路的概念7.4 7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展存储器容量的扩展存储器容量的扩展 7.3 7.3 随机存储器（随机存储器（随机存储器（随机存储器（RAMRAM）
2、7.2 7.2 只读存储器（只读存储器（只读存储器（只读存储器（ROMROM） 7.1 7.1 概述概述概述概述7.5 7.5 用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数第七章第七章第七章第七章 半导体存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器7.1 概概 述述 半导体存储器是能存储大量二值信息的半导体器件。半导体存储器是能存储大量二值信息的半导体器件。从存、从存、取功能取功能上分为上分为衡量存储器性能的重要指标：衡量存储器性能的重要指标：存储容量和存取速度。存储容量和存取速度。只读存储器只读存储器（ROM）优点：电路结构简单，断电后数据不
3、优点：电路结构简单，断电后数据不丢失丢失缺点：只适用于存储固定数据的场合缺点：只适用于存储固定数据的场合随机存储器随机存储器（RAM）从制造从制造工艺上工艺上分为分为双极型双极型MOS型型功耗低，集成度高，适于制作大容量功耗低，集成度高，适于制作大容量的存储器的存储器DRAM:结构简单，集成度高，速度低结构简单，集成度高，速度低SRAM:集成度低集成度低，速度高速度高7.2 只读存储器只读存储器（ROM）7.2.1 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器掩模只读存储器掩模只读存储器( (ROM)ROM)退出退出退出退出7.2.2 7.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器可
4、编程只读存储器( (PROM)PROM)7.2.3 7.2.3 可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器( (EPROM)EPROM)存储容量字线数存储容量字线数位线数位线数2nb（位）位）存储单元地址存储单元地址将输入的地址代码译成相应的控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，并把其中阵中选出指定的单元，并把其中的数据送到输出缓冲器的数据送到输出缓冲器有许多存储单元（二极管、双极有许多存储单元（二极管、双极型三极管或型三极管或MOS管管）排列组成。排列组成。每个单元存放每
5、个单元存放1位二值代码（位二值代码（0或或1）。每一组存储单元有一个对应）。每一组存储单元有一个对应的地址代码。的地址代码。能提高存储器的带负载能力，能提高存储器的带负载能力，实现对输出状态的三态控制，实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线联接以便与系统的总线联接7.2.1 7.2.1 掩模只读存储器掩模只读存储器掩模只读存储器掩模只读存储器( (ROM)ROM)地地 址址数数 据据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0地址线地址线位线位线字线与位线的每个交叉点都字线与位线的每个交叉点都是一个存储单元。交点处接是一个
6、存储单元。交点处接有二极管相当于存有二极管相当于存1，没接二，没接二极管时相当于存极管时相当于存0。交叉点的数目交叉点的数目=存储单元数，存储单元数，存储容量存储容量=(字数字数) (位数位数)用二极管制作的用二极管制作的ROM W0 W1 W2 W3二极管与二极管与门阵列门阵列译码器译码器二极管或二极管或门阵列门阵列编码器编码器字线字线用用MOS 工艺制作的工艺制作的ROM 用用N沟道增强型沟道增强型MOS管代替二极管代替二极管。字线与位线的管。字线与位线的每个交叉点处接有每个交叉点处接有MOS 管相当于存管相当于存1，没接，没接MOS 管时管时相当于存相当于存0。注：接有注：接有MOS管管
7、的位线由于的位线由于MOS管导通为低电平，管导通为低电平，经反相缓冲器输经反相缓冲器输出为高电平。出为高电平。用用MOS管构成的存储矩阵管构成的存储矩阵44位位ROM地址译码器地址译码器存储体存储体存储内容存储内容未连接的或门未连接的或门 对于给定的地址，对于给定的地址，相应一条字线输出高电平，相应一条字线输出高电平，与该字线相连接的或门输出为与该字线相连接的或门输出为1 ，输出为输出为0。A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D0=1D2=0A1=0A0=1W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D0=1D2=1A1=1A0=0W0=0W1=0W2=1W3=
8、0D3=1D1=0D0=0D2=1A1=1A0=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D0=1D2=1ROM的简化画法的简化画法地址译码器产生地址译码器产生了输入变量的全了输入变量的全部最小项部最小项存储体实现了存储体实现了有关最小项的有关最小项的或运算或运算与与阵阵列列固固定定或或阵阵列列可可编编程程连接连接断开断开熔丝型熔丝型PROM的存储单元的存储单元7.2.2 7.2.2 可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器可编程只读存储器( (PROM)PROM)出厂时所有存储出厂时所有存储单元都存入单元都存入1。编程时先输入地址编程时先输入地址代码，找出要写入代码，找出要写
9、入0的单元地址。然后的单元地址。然后使使VCC和选中的字和选中的字线提高到编程所需线提高到编程所需要的高电平，同时要的高电平，同时在编程单元的位线在编程单元的位线上加入编程脉冲上加入编程脉冲(幅幅度约度约20V，持续时持续时间约几微秒间约几微秒)，此时，此时写入放大器写入放大器AW的输的输出为低电平，低内出为低电平，低内阻状态，熔丝熔断。阻状态，熔丝熔断。PROM的内容的内容一经写入，就一经写入，就不能修改。不能修改。PROM管的结构原理图管的结构原理图7.2.3 7.2.3 可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器( (PROM)PRO
10、M)一、一、EPROM(UVEPROM)采用叠栅注入采用叠栅注入MOS管管（ SIMOS ）制作的存储单元）制作的存储单元控制栅控制栅GC用于控制读出和写入。用于控制读出和写入。浮置栅浮置栅Gf用于长期保存注入电荷。用于长期保存注入电荷。1.浮浮置栅上置栅上未注入电荷以前，未注入电荷以前，在控制栅上加入正常高电在控制栅上加入正常高电平电压，能够使漏平电压，能够使漏源之源之间产生导电沟道，间产生导电沟道，SIMOS导通。导通。2.浮浮置栅上置栅上注入负电荷以后，注入负电荷以后，必须在控制栅上加入更高必须在控制栅上加入更高电压才能抵消注入电荷的电压才能抵消注入电荷的影响而形成导电沟道，因影响而形成
11、导电沟道，因此在栅极加上正常的高电此在栅极加上正常的高电平信号时平信号时SIMOS不会导通。不会导通。EPROM具具有有和和录录音音带带相相似似的的特特特特点点点点：一一方方面面，在在停停电电以以后后，信信信信息可长期保存；息可长期保存；息可长期保存；息可长期保存；另一方面，当不需这些信息时，另一方面，当不需这些信息时，又可擦去重写。又可擦去重写。又可擦去重写。又可擦去重写。 用紫外线照射进行擦除的用紫外线照射进行擦除的UVEPROM 、用电信号擦用电信号擦除的除的E2PROM和快闪存储器和快闪存储器(Flash Memory)。 浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。浮栅上的电荷无放电通路，没法
12、泄漏。用用紫紫外外线线照照射射芯芯片片上上的的玻玻璃璃窗窗，则则形形成成光光电电电电流流，把把栅栅极极电子带回到多晶硅衬底，电子带回到多晶硅衬底，SIMOS管恢复到初始的导通状态。管恢复到初始的导通状态。二、二、E2PROM（电信号可擦除的可编程（电信号可擦除的可编程ROM） 前前面面研研究究的的可可擦擦写写存存储储器器的的缺缺点点是是要要擦擦除除已已存存入入的的信信息息必必须须用用紫紫外外光光照照射射一一定定的的时时间间，因因此此不不能能用用于于快快速速改改变变储储存存信信息息的的场场合合，用用隧隧道道型型储储存存单单元元制制成成的的存存储储器器克克服服了了这这一一缺缺点点，它它称称为为电电
13、可可改改写写只读存储器只读存储器E2PROM，即电擦除、电编程的只读存储器。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 之间的交叠处有之间的交叠处有一个厚度约为一个厚度约为80埃的薄绝缘层，称为隧道区。埃的薄绝缘层，称为隧道区。浮栅隧道氧化层浮栅隧道氧化层MOS管管存储管存储管选通管选通管三、快闪存储器（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，它不像闪速存储单元去掉了隧道型存储单元的选择管，它不像E2PROM那样一次只能擦除一个字，而是可以用一个信号，那样一次只能擦除一个字，而是可
14、以用一个信号，在几毫秒内擦除一大区段。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单、更有效，使用闪速存储单元制成的PLD器件密度更高。器件密度更高。闪速存储单元又称为闪速存储单元又称为快擦快写存储单元。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：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闪速存储单元源极的区域Sn+大于漏极的区域大于漏极的区域Dn+，两两区域不是对称的，使浮栅上的电子进行分级双扩散，电子扩区域不是对
15、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；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叠栅存储单元的浮栅到P型衬底间的氧化物层约型衬底间的氧化物层约200埃左埃左右，而闪速存储单元的氧化物层更薄，约为右，而闪速存储单元的氧化物层更薄，约为100埃。埃。快闪存储器中的叠栅快闪存储器中的叠栅MOS管管快闪存储器的存储单元快闪存储器的存储单元字线字线位位线线WiBjVSSGcDS 利用雪崩击穿利用雪崩击穿的方法使浮栅充的方法使浮栅充电电(a)读出状态读出状态字线字线位位线线WiBjVSSGcDS+5V0V 若浮置栅上没有充若浮置栅上没有充电，位线上输出
16、低电电，位线上输出低电平；平； 若浮置栅上充有负若浮置栅上充有负电荷，位线上输出高电荷，位线上输出高电平；电平；+12V(b)写入（写写入（写1）状态）状态字线字线位位线线WiBjVSSGcDS+6V0V 利用隧道效应利用隧道效应完成完成(c)擦除擦除（写（写0）状态状态字线字线位位线线WiBjVSSGcDS0V+12V7.3 随机存储器（随机存储器（RAM）特点：特点：工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，静态随机存储器静态随机存储器静态随机存储器静态随机存储器( (SRAM)SRAM)优点：优点：读、写方便，使用灵活。读、写方便，使用灵活。缺点：缺点：一旦停电，所存储的数据将随之消失。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。也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中。动态随机存储器动态随机存储器动态随机存储器动态随机存储器( (DRAM)DRAM)7.3 随机存储器随机存储器（RAM）7. 7.3.1 3.1 静态随机存储器静态随机存储器静态随机存储器静态随机存储器( (SRAM)SRAM)退出
