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1、第第7章章 半导体存储器半导体存储器数字电子技术 Digital Electronics Technology海南大学海南大学数字电子技术数字电子技术课程组课程组教学网址：教学网址：http:/ Digital Electronics Technology8/29/20247.1 概述概述1. 1. 存储器存储器n定定义义：存存储储大大量量二二值值信信息息（或或称称为为二二值值数数据据）的半导体器件。的半导体器件。n用途：在计算机或数字系统中存储数据用途：在计算机或数字系统中存储数据 。n与与寄寄存存器器的的区区别别：以以字字为为单单位位存存取取，每每字字包包含含若若干干位位。各各个个字字的的
2、相相同同位位通通过过同同一一引引脚脚与与外外界界联联系系。每每个个字字分分配配一一个个地地址址，因因此此内内部部有有地地址译码器。址译码器。Digital Electronics Technology8/29/20247.1 概述概述随机存储器随机存储器RAM （Random Access Memory）按按功功能能只读存储器只读存储器ROM（Read- Only Memory）只能读出不能只能读出不能写入写入,断电不失断电不失n 分类：分类：掩模掩模ROM可编程可编程ROM（PROM）(Programmable ROM)(Erasable PROM)ROM可擦除可编程可擦除可编程ROM（EP
3、ROM）UVEPROMEEPROMFlash Memory电可擦除电可擦除(Electrically)紫外线擦除紫外线擦除(Ultra-Violet)快闪存储器快闪存储器Digital Electronics Technology8/29/2024静态存储器静态存储器SRAM (Static RAM)动态存储器动态存储器DRAM (Dynamic RAM)还可以按制造工艺分为双极型和还可以按制造工艺分为双极型和MOS型两种。型两种。 主要指标：主要指标：存储容量、存取速度。存储容量、存取速度。 存存储储容容量量: 用用字字数数位位数数表表示示，也也可可只只用用位位数数表表示示。如如，某动态存储
4、器的容量为某动态存储器的容量为109位位/片。片。7.1 概述概述RAM 存存取取速速度度：用用完完成成一一次次存存取取所所需需的的时时间间表表示示。高高速速存存储储器的存取时间仅有器的存取时间仅有10ns左右。左右。Digital Electronics Technology8/29/2024一、掩模只读存储器一、掩模只读存储器 又又称称为为固固定定ROM。工工厂厂按按用用户户要要求求生生产产出出来来后后，用用户户不不能改动。能改动。1. ROM的构成的构成7.2 只读存储器只读存储器ROMDigital Electronics Technology8/29/2024存储矩阵：存储矩阵：由若
5、干存储单元排列成矩阵形式。由若干存储单元排列成矩阵形式。储存单元：可由二极管、双极性三极管或储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。管构成。地地址址译译码码器器：根根据据地地址址输输入入，在在存存储储矩矩阵阵中中选选出出指指定定的的字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。输输出出缓缓冲冲器器：增增加加带带负负载载能能力力；同同时时提提供供三三态态控控制制，以以便和系统的总线相连。便和系统的总线相连。7.2 只读存储器只读存储器ROMDigital Electronics Technology8/29/20247.2 只读存储器只读存储器ROM1. 工作
6、原理工作原理二四线二四线译码器译码器A1,A0的四的四个最小项个最小项字线字线位线位线 以以2位地址输入和位地址输入和4为数据输出的为数据输出的ROM为为例，其存储矩阵是四例，其存储矩阵是四组二极管或门：组二极管或门：当当EN=0时时，D1= D3 = A0D0 = W1+ W0 = A1D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0D2= W1= A1+A0Digital Electronics Technology8/29/2024地址与存储数据对应关系表地址与存储数据对应关系表7.2 只读存储器只读存储器ROM地地 址址数数 据据A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01
7、10 1 0 11 0 1 10 1 0 01 1 1 0Digital Electronics Technology8/29/20247.2 只读存储器只读存储器ROM 用用MOS工艺制造的工艺制造的ROM的存储矩阵如图所示：的存储矩阵如图所示：Digital Electronics Technology8/29/2024二、可编程只读存储器二、可编程只读存储器PROM 产产品品出出厂厂时时存存的的全全是是1，用用户户可可一一次次性性写写入入，即即把把某某些些1改为改为0。但不能多次擦除。但不能多次擦除。 存存储储单单元元多多采采用用熔熔丝丝低低熔熔点点金金属属或或多多晶晶硅硅。写写入入时时
8、设设法法在在熔熔丝丝上上通通入入较较大大的的电电流流将将熔丝烧断。熔丝烧断。编程时编程时VCC和和字线电压提高字线电压提高7.2 只读存储器只读存储器ROMDigital Electronics Technology8/29/202416字字8位的位的PROM十六条字线十六条字线八八条条位位线线 读读出出时时，读读出出放放大大器器AR工工作作，写写入入放放大器大器AW不工作。不工作。 写写入入时时，在在位位线线输输入入编编程程脉脉冲冲使使写写入入放放大大器器工工作作，且且输输出出低低电电平平，同同时时相相应应的的字字线线和和VCC提提高高到到编编程程电电平平，将将对对应应的的熔熔丝烧断。丝烧断
9、。缺点：不能重复擦除。缺点：不能重复擦除。7.2 只读存储器只读存储器ROMDigital Electronics Technology8/29/20247.2 只读存储器只读存储器ROM三、可擦除的可编程只读存储器（三、可擦除的可编程只读存储器（EPROM）（一）紫外线擦除的只读存储器（一）紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM）最早出现的最早出现的EPROM。通常说的通常说的EPROM就是指这种。就是指这种。 1. 使用使用FAMOS管（管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，浮栅雪崩注入，浮栅雪崩注入MOS管）管） 写写入入：管管子子原原来来不不导
10、导通通。在在漏漏源源之之间间加加上上较较高高电电压压后后（如如-20V），漏漏极极PN结结雪雪崩崩击击穿穿，部部分分高高速速电电子子积积累累在在浮浮栅栅上，使上，使MOS管导通。管导通。Digital Electronics Technology8/29/20247.2 只读存储器只读存储器ROM 擦擦除除：用用紫紫外外线线或或X射射线线擦擦除。需除。需2030分钟。分钟。 缺缺点点：需需要要两两个个MOS管管；编编程程电电压压偏偏高高；P沟沟道道管管的的开开关速度低。关速度低。 浮浮栅栅上上电电荷荷可可长长期期保保存存在在125环环境境温温度度下下，70%的电荷能保存的电荷能保存10年以上。
11、年以上。存储单元图存储单元图Digital Electronics Technology8/29/2024 用用N沟道管；增加沟道管；增加控制栅。控制栅。 SIMOS管管 原原 来来 可可导导通通，开开启启电电压压约约为为2V。 注注入入电电荷荷：在在DS间间加加高高电电压压，同同时时在在控控制制栅栅加加25V、50mS宽宽的的脉脉冲冲。由由于于控控制制栅栅上上有有电电压压，所所以以需需要要的的漏漏源源电电压相对较小。注入电荷后其开启电压达压相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导通。不能正常导通。 2. 使用管使用管SIMOS(Stacked-gate Injuction MOS，叠
12、栅，叠栅注入注入MOS管管)7.2 只读存储器只读存储器ROMDigital Electronics Technology8/29/2024 这这是是一一种种双双译译码码方方式式，行行地地址址译译码码器器和和列列地地址址译译码码器器共共同同选选中中一一个个单单元元。每每个个字字只有一位。只有一位。7.2 只读存储器只读存储器ROMDigital Electronics Technology8/29/2024（二）电可擦除（二）电可擦除EPROM(EEPROM或或E2ROM) 用用紫紫外外线线擦擦除除操操作作复复杂杂，速速度度很很慢慢。必必须须寻寻找找新新的的存存储器件，使得可以用电信号进行擦除
13、。储器件，使得可以用电信号进行擦除。 使使 用用 浮浮 栅栅 隧隧 道道 氧氧 化化 层层 MOS管管 Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)7.2 只读存储器只读存储器ROMGCGf漏极漏极Digital Electronics Technology8/29/2024写入（写写入（写0）擦除（写擦除（写1）读出读出 特特点点：浮浮栅栅与与漏漏区区间间的的氧氧化化物物层层极极薄薄（20纳纳米米以以下下），称称为为隧隧道道区区。当当隧隧道道区区电电场场大大于于107V/cm时时隧隧道道区区双双向向导导通。通。 当当隧隧道道区区的的等等效效电电容容极极小小时时，加加在
14、在控控制制栅栅和和漏漏极极间间的的电压大部分降在隧道区，有利于隧道区导通。电压大部分降在隧道区，有利于隧道区导通。存储单元：存储单元：擦除和写入均擦除和写入均利用隧道效应利用隧道效应10ms7.2 只读存储器只读存储器ROMDigital Electronics Technology8/29/20247.2 只读存储器只读存储器ROM EEPROM的的缺缺点点：擦擦写写需需要要高高电电压压脉脉冲冲；擦擦写写时时间间长；存储单元需两只长；存储单元需两只MOS管。管。（三）快闪存储器（三）快闪存储器(Flash Memory)采用新型隧道氧化层采用新型隧道氧化层MOS管。管。 隧道层在源区；隧道层
15、在源区； 隧隧道道层层更更薄薄(1015nm)。在在控控制制栅栅和和源源极极间间加加12V电电压压即即可使隧道导通。可使隧道导通。 特点：特点：Digital Electronics Technology8/29/20247.2 只读存储器只读存储器ROM 存储单元的工作原理：存储单元的工作原理： （1）写写入入利利用用雪雪崩崩注注入入法法。源源极极接接地地；漏漏极极接接6V；控控制制栅栅12V脉冲，宽脉冲，宽10 s。 （2）擦擦除除用用隧隧道道效效应应。控控制制栅栅接接地地；源源极极接接12V脉脉冲冲，宽宽为为100ms。因因为为片片内内所所有有叠叠栅栅管管的的源源极极都都连连在在一一起起
16、，所所以以一一个个脉脉冲就可擦除全部单元。冲就可擦除全部单元。 （3）读出：源极接地，字线为）读出：源极接地，字线为5V逻辑高电平。逻辑高电平。 快快闪闪存存储储器器特特点点：集集成成度度高高，容容量量大大，成成本本低低，使使用用方便。已有方便。已有64兆位产品问世。很有发展前途。兆位产品问世。很有发展前途。Digital Electronics Technology8/29/20247.3 随机存储器（随机存储器（RAM）一、静态随机存储器一、静态随机存储器SRAM 特特点点：RAM在在工工作作时时可可随随时时对对任任意意指指定定单单元元进进行行读读或或写写操操作作。使使用用方方便便、灵灵活
17、活。但但切切断断电电源源后后，所所存存信信息息就就会会丢丢失失。分分为为静静态态随随机机存存储储器器SRAM和和动动态态随随机机存存储储器器DRAM两种，也可称为读写存储器。两种，也可称为读写存储器。（一）（一）RAM的结构的结构1. 存储矩阵存储矩阵2. 地址译码：双译码。地址译码：双译码。3. 读写控制电路：读写控制电路： 片片选选信信号号CS：控控制制I/O端端是是否处在高阻状态。否处在高阻状态。 读读写写控控制制信信号号R/ W：控控制制电电路处于读出还是写入状态。路处于读出还是写入状态。Digital Electronics Technology8/29/20241024字字4位（位
18、（2114）SRAM结构结构Digital Electronics Technology8/29/2024（二）静态（二）静态RAM的存储单元的存储单元1.六管六管NMOS静态存储单元静态存储单元7.3 随机存储器（随机存储器（RAM）Digital Electronics Technology8/29/20242.六管六管CMOS静态存储单元静态存储单元3.双极型静态存储单元双极型静态存储单元7.3 随机存储器（随机存储器（RAM）Digital Electronics Technology8/29/20247.3 随机存储器（随机存储器（RAM）（三）动态（三）动态RAM的存储单元的存储单
19、元 利利用用MOS管管栅栅极极电电容容可可以以暂暂存存电电荷荷的的原原理理制制成成。因因此此，存存储储单单元元简简单单，存存储储容容量量大大。但但栅栅极极电电容容很很小小，由由于于漏漏电电的的影影响响，电电容容电电荷荷保保存存时时间间很很短短。必必须须定定时时给给电电容容充充电电刷刷新新、再再生生。这这就就需需要要外外围围电电路路配合。配合。Digital Electronics Technology8/29/20247.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展一、位扩展方式一、位扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=8例：例：用用1024字字1位
20、位RAM构成构成1024字字8位位RAM. 方法：方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和读写信号）。输出并列。读写信号）。输出并列。Digital Electronics Technology8/29/20247.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展二、字扩展方式二、字扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=4例：例：用用256字字8位位RAM组成组成1024字字8位存储器。位存储器。Digital Electronics Technology8/29/20247.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩
21、展 方法：方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；片的片选端；I/O同名端并联。同名端并联。Digital Electronics Technology8/29/20247.5用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数 ROM的的每每个个输输出出都都是是由由地地址址输输入入的的最最小小项项之之和和的的形形式式给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。例：例：用用ROM实现由实现由8421-BCD码到七码到七段显示器的译段显示器的译码器。码器。输入变量输入变量Digital Electronics Technology8/29/2024作业：作业：P. 383-3857.1，7.2，7.4，7.7，7.11
