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1、第第8章章 半导体存储器半导体存储器 8.1 概述概述8.2 只读存储器只读存储器8.3 随机存取存储器随机存取存储器 8.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 8.1 8.1 概述概述数字系统中用于存储大量二进制信息的器件是存储器。穿孔卡片纸带磁芯存储器半导体存储器半导体存储器的优点：半导体存储器的优点：容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等。半导体存储器半导体存储器是一种由半导体器件构成的能够是一种由半导体器件构成的能够存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。用于存储数据、运算结果、操作指令的逻辑部件。用于计算机的内存及数字系统存储部件。计算机的内存及数字系统存储部件。分类：分类
2、：掩模掩模ROM可编程可编程ROM(PROM-Programmable ROM)可擦除可编程可擦除可编程ROM(EPROM-Erasable PROM)随机存储器随机存储器RAM(Random Access Memory)静态存储器静态存储器SRAM(Static RAM)主要用于高速缓存和服务器内存主要用于高速缓存和服务器内存动态存储器动态存储器DRAM(Dynamic RAM)按按功功能能特特点点EEPROM(Electrically EPROM)/E2PROM 只读存储器只读存储器ROM(Read-Only Memory)Flash Memory(快闪存储器，如快闪存储器，如U盘盘)FR
3、AM(Ferro-electric RAM 铁电存储器铁电存储器)SDRAM,DDR-RAM等等非挥发存储器（非挥发存储器（Non-Volatile Memory-NVM）或者称非易）或者称非易失存储器失存储器挥发存储器（挥发存储器（Volatile Memory-VM）或者称易失存储器）或者称易失存储器8.1 概述概述 TTL存储器存储器 速度快速度快按制造工艺不同分类：按制造工艺不同分类：MOS存存储储器器 工工艺艺简简单单、集集成成度度高高、功功耗耗低、成本低低、成本低8.1 概述概述 按存储信号的原理不同：按存储信号的原理不同：分为分为静态存储器静态存储器和和动态存储器动态存储器两种。
4、两种。静静态态存存储储器器是是以以触触发发器器为为基基本本单单元元来来存存储储0和和1的的，在不失电的情况下，触发器状态不会改变；在不失电的情况下，触发器状态不会改变；动态存储器动态存储器是用电容存储电荷的效应来存储二值信是用电容存储电荷的效应来存储二值信号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对号的。电容漏电会导致信息丢失，因此要求定时对电容进行充电或放电，称为电容进行充电或放电，称为刷新刷新。动态存储器都为。动态存储器都为MOS型。型。按工作特点不同：按工作特点不同：只读只读存储器存储器 Read-Only Memory，简称，简称ROM 随机存取随机存取存储器存储器 Random Ac
5、cess Memory，简称，简称RAM8.1 概述概述 半导体存储器的特点及分类半导体存储器的特点及分类例例如如计计算算机机中中的的自自检检程程序序、初初始始化化程程序序便便是是固固化化在在 ROM 中中的的。计计算算机机接接通通电电源源后后，首首先先运运行行它它，对对计计算算机机硬硬件件系系统统进进行行自自检检和和初初始始化化，自自检检通通过过后后，装装入入操操作作系系统统，计计算算机机才才能能正常工作。正常工作。只读存储器只读存储器(ROM）随机存取存储器随机存取存储器(RAM）RAM 既既能能读读出出信信息息又又能能写写入入信信息息。它它用用于于存存放放需需经经常常改改变变的的信信息息
6、，断断电电后后其其数数据据将将丢丢失失。常常用用于于存存放放临临时时性数据或中间结果。性数据或中间结果。例如例如 计算机内存就是计算机内存就是 RAM ROM 在在工工作作时时只只能能读读出出信信息息而而不不能能写写入入信信息息。它它用用于于存存放放固固定定不不变变的的信信息息，断断电电后后其其数数据据不不会会丢丢失失。常常用用于于存存放放程序、常数、表格等。程序、常数、表格等。（2）一一次次性性可可编编程程ROM（PROM）。出出厂厂时时，存存 储储内内容容全全为为1（或或全全为为0），用用户户可可根根据据自自己己的的需要编程，但只能编程一次。需要编程，但只能编程一次。8.2 只读存储器只读
7、存储器(ROM)（1）固固定定（掩掩膜膜）ROM。制制造造厂厂商商把把数数据据写写入入存存储储器中，用户无法进行任何修改。器中，用户无法进行任何修改。（3）光光可可擦擦除除可可编编程程ROM（EPROM）。采采用用浮浮栅栅技技术术生生产产的的可可编编程程存存储储器器。其其内内容容可可通通过过紫紫外外线照射而被擦除，可多次编程（线照射而被擦除，可多次编程（103次）。次）。按照数据写入方式特点不同，按照数据写入方式特点不同，ROM可分为以下几种：可分为以下几种：（5）快快闪闪存存储储器器（Flash Memory）。也也是是采采用用浮浮栅栅型型MOS管管，存存储储器器中中数数据据的的擦擦除除和和
8、写写入入是是分分开开进进行行的的，数数据据写写入入方方式式与与EPROM相相同同，一一般般一一只只芯芯片片可可以以擦擦除除/写入写入105（106）次以上。）次以上。（4）电电可可擦擦除除可可编编程程ROM（E2PROM）。也也是是采采用用浮浮栅栅技技术术生生产产的的可可编编程程ROM，但但是是构构成成其其存存储储单单元元的的是是隧隧道道MOS管管，是是用用电电擦擦除除，并并且且擦擦除除的的速速度度要要快快的的多多（一一般般为为毫毫秒秒数数量量级级）。E2PROM的的电电擦擦除除过过程程就就是是改改写写过过程程，它它具具有有ROM的的非非易易失失性性，又又具具备备类类似似RAM的的功功能能，可
9、可以以随随时时改改写写（可可重重复复擦擦写写104次次以以上）。上）。（5）铁铁电电存存储储器器FRAM（Ferro-electric Memory）。利利用用铁铁电电晶晶体体的的铁铁电电效效应应实实现现数数据据存存储储。存存储储单单元元主主要要由由电电容容（由由晶晶态态的的铁铁电电晶晶体体薄薄膜膜构构成成）和和场场效效应应管管构构成成，与与标标准准的的CMOS制制造造工工艺艺相相兼兼容容。擦擦除除/写写入入可达可达1010次。次。8.2 只读存储器只读存储器(ROM)一、一、ROM组成：ROM结构方框图结构方框图 l地址译码器l存储矩阵l输出电路二极管ROM字的读出方法 在对应的存储单元内存
10、入的是在对应的存储单元内存入的是1还是还是0，是由接，是由接入或不接入相应的二极管来决定的。入或不接入相应的二极管来决定的。1 1、存储矩阵、存储矩阵 由存储单元按字由存储单元按字(Word)和位和位(Bit)构成的距阵构成的距阵存储存储矩阵矩阵44 ROM阵列图有存储有存储单元单元地址译码器地址译码器二极管ROM（1）存储矩阵的结构与工作原理存储矩阵的结构与工作原理 4 4 存储矩阵结构示意图存储矩阵结构示意图 W3W2W1W0D3D2D1D0字字线线位线位线字线与位线的交叉字线与位线的交叉点即为点即为存储单元存储单元。每个存储单元可以每个存储单元可以存储存储 1 位二进制数。位二进制数。交
11、叉处的圆点交叉处的圆点 “”表示存储表示存储“1”；交；交叉处无圆点表示存储叉处无圆点表示存储“0”。当某字线被选中时，当某字线被选中时，相应存储单元数据从位相应存储单元数据从位线线 D3 D0 输出。输出。10 1 110 1 1从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中含有的存储单元数称为字长，即字长含有的存储单元数称为字长，即字长=位（位（Bit）数。）数。W3（1）存储矩阵的结构与工作原理存储矩阵的结构与工作原理 根据表达式画出根据表达式画出ROM存储点阵如下图。存储点阵如下图。图图6-9 ROM点阵图点阵图01选中选中码点位置固定码点
12、位置固定与存储信息无关！与存储信息无关！码点位置由所码点位置由所存的信息决定存的信息决定根据表达式画出根据表达式画出ROM存储点阵如下图。存储点阵如下图。000000000000图图6-9 ROM点阵图点阵图根据表达式画出ROM存储点阵如下图。001100001001图图6-9 ROM点阵图点阵图用用“M”表示表示“1024 K”，即，即 1 M=1024 K=210 K=220。（2）存储容量及其表示）存储容量及其表示 指存储器中存储单元的数量指存储器中存储单元的数量 例如，一个例如，一个 32 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 32 个字，个字，字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储
13、容量是 32 8=256。对于大容量的对于大容量的 ROM常用常用“K”表示表示“1024”，即，即 1 K=1024=210 ；例如，一个例如，一个 64 K 8 的的 ROM，表示它有，表示它有 64 K 个字，个字，字长为字长为 8 位，存储容量是位，存储容量是 64 K 8=512 K。一般用一般用“字数字数 字长字长(即位数即位数)”)”表示表示3.存储单元结构存储单元结构（3）存储单元结构存储单元结构 1)固定固定 ROM 的存储单元结构的存储单元结构 二极管二极管 ROM TTL-ROM MOS-ROM Wi Dj Wi Dj VCC Wi Dj+VDD 1接半导体管后成为储接半
14、导体管后成为储 1 单元；单元；若不接半导体管，则为储若不接半导体管，则为储 0 单元。单元。固定固定ROM。厂家把数据写入存储器中，用户无法厂家把数据写入存储器中，用户无法进行任何修改。进行任何修改。2)PROM(一次性可编程一次性可编程ROM)的存储单元结构的存储单元结构 二极管二极管 ROM TTL-ROM MOS-ROM Wi Dj Wi Dj VCC Wi Dj+VDD 1熔丝熔丝熔丝熔丝熔丝熔丝 出厂时，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通出厂时，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的，即每个单元存储的都是的，即每个单元存储的都是1。用户可根据需要，借助一。用户可根据需要，借助
15、一定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断，定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流烧断，该单元存储的内容就变为该单元存储的内容就变为0，此过程称为编程。熔丝烧断，此过程称为编程。熔丝烧断后不能再接上，故后不能再接上，故PROM只能进行一次编程。只能进行一次编程。3 3）光可擦可编程）光可擦可编程ROMROM（EPROMEPROM）浮浮置置栅栅MOS管管（简简称称FAMOS管管）的的栅栅极极被被SiO2绝缘层隔离，呈浮置状态，故称绝缘层隔离，呈浮置状态，故称浮置栅浮置栅。当当浮浮置置栅栅带带负负电电荷荷时时，FAMOS管管处处于于导导通通状状态，态，源极漏极可看成短路源极漏极可看成
16、短路，所存信息是，所存信息是0。若若浮浮置置栅栅上上不不带带有有电电荷荷，则则FAMOS管管截截止止，源源极漏极间可视为开路极漏极间可视为开路，所存信息是，所存信息是1。采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容采用浮栅技术生产的可编程存储器。其内容可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。可通过紫外线照射而被擦除，可多次编程。浮置栅EPROM(a)浮置栅MOS管的结构(b)EPROM存储单元带负电带负电-导通导通-存存0不带电不带电-截止截止-存存1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，以上的电荷能保存年以上。如果用紫外线照射FAMOS管分钟，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。4）E2PROM（电可擦除可编程（电可
