第七章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1、1第七章第七章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器本章的重點(diǎn)：本章的重點(diǎn)： 1 1存儲(chǔ)器的基本工作原理、分類和每種類型存儲(chǔ)器的特存儲(chǔ)器的基本工作原理、分類和每種類型存儲(chǔ)器的特點(diǎn)；點(diǎn)； 2 2擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的方法；擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的方法； 3 3用存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)組合邏輯電路的原理和方法。用存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)組合邏輯電路的原理和方法。 因?yàn)榇鎯?chǔ)器幾乎都作成因?yàn)榇鎯?chǔ)器幾乎都作成LSILSI器件，所以這一章的重點(diǎn)內(nèi)容器件，所以這一章的重點(diǎn)內(nèi)容是如何正確使用這些器件。存儲(chǔ)器內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)不是課程是如何正確使用這些器件。存儲(chǔ)器內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)不是課程的重點(diǎn)。的重點(diǎn)。本章的難點(diǎn)：本章的難點(diǎn)： 在本章的重點(diǎn)內(nèi)容中基本沒(méi)有難點(diǎn)。在本章的

2、重點(diǎn)內(nèi)容中基本沒(méi)有難點(diǎn)。2預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí) 字：字：在計(jì)算機(jī)中，作為一個(gè)整體單元進(jìn)行存取和處理的一組二在計(jì)算機(jī)中，作為一個(gè)整體單元進(jìn)行存取和處理的一組二進(jìn)制數(shù)，每位計(jì)算機(jī)字的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)是固定的。進(jìn)制數(shù)，每位計(jì)算機(jī)字的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)是固定的。 字節(jié)：字節(jié)：把一個(gè)把一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)單元稱為一個(gè)字節(jié)，通常用字位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)單元稱為一個(gè)字節(jié)，通常用字母母B表示。表示。 字長(zhǎng)：字長(zhǎng)：一個(gè)字中包含二進(jìn)制數(shù)位數(shù)的多少稱為字長(zhǎng)，字長(zhǎng)是標(biāo)一個(gè)字中包含二進(jìn)制數(shù)位數(shù)的多少稱為字長(zhǎng)，字長(zhǎng)是標(biāo)志計(jì)算機(jī)精度的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。志計(jì)算機(jī)精度的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。KB即為即為K字節(jié)字節(jié) 1K=210 =1024 BMB即為即為

3、M字節(jié)字節(jié) 1M=220 =1024 K GB即為即為G字節(jié)字節(jié) 1G=230 =1024 M 位：位：計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)由計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)由0或或1組成的二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制數(shù)中的每組成的二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制數(shù)中的每個(gè)個(gè)0或或1就是信息的最小單位，稱為就是信息的最小單位，稱為“位位”（bit），也稱為二進(jìn)制），也稱為二進(jìn)制的位或稱字位的位或稱字位 3第七章第七章 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。體器件。用途：在計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。用途：在計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 與寄存器的區(qū)別：以

4、與寄存器的區(qū)別：以字字為單位存取，每字包含若干為單位存取，每字包含若干位位。各個(gè)字。各個(gè)字的相同位通過(guò)的相同位通過(guò)同一引腳同一引腳與外界聯(lián)系。每個(gè)字分配一個(gè)與外界聯(lián)系。每個(gè)字分配一個(gè)地址地址，因此內(nèi)，因此內(nèi)部有地址譯碼器。部有地址譯碼器。4分類：分類：掩模掩模ROM可編程可編程ROM（PROM）可擦除可編程可擦除可編程ROM（EPROM）隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM靜態(tài)存儲(chǔ)器靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM按按功功能能(Read- Only Memory)(Random Access Memory)(Programmable ROM)(Erasable PROM)UVEPROMEE

5、PROM只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROMFlash Memory(Ultra-Violet)(Electrically)電可擦除電可擦除紫外線擦除紫外線擦除(Static RAM)快閃存儲(chǔ)器快閃存儲(chǔ)器(Dynamic RAM)只能讀出不能只能讀出不能寫(xiě)入寫(xiě)入,斷電不失斷電不失還可以按制造工藝還可以按制造工藝分為雙極型和分為雙極型和MOS型兩種。型兩種。 主要指標(biāo)：存儲(chǔ)容量、存取速度。主要指標(biāo)：存儲(chǔ)容量、存取速度。 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量:用字?jǐn)?shù)用字?jǐn)?shù)位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的容量為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的容量為109位位/片。片。5第二節(jié)第二節(jié) 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)

6、器ROM一、掩模只讀存儲(chǔ)器一、掩模只讀存儲(chǔ)器又稱為固定又稱為固定ROM。工廠。工廠按用戶要求生產(chǎn)出來(lái)后，按用戶要求生產(chǎn)出來(lái)后，用戶不能改動(dòng)。用戶不能改動(dòng)。1.ROM的構(gòu)成的構(gòu)成 存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)矩陣：由若干存儲(chǔ)：由若干存儲(chǔ)單元排列成矩陣形式。單元排列成矩陣形式。儲(chǔ)存單元：可由二極管、雙極性三極管或儲(chǔ)存單元：可由二極管、雙極性三極管或MOS管構(gòu)成。管構(gòu)成。 地址譯碼器地址譯碼器：根據(jù)地址輸入，在存儲(chǔ)矩陣中選出指定的字對(duì)：根據(jù)地址輸入，在存儲(chǔ)矩陣中選出指定的字對(duì)應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。輸出緩沖器輸出緩沖器：增加帶負(fù)載能力；同時(shí)提供三態(tài)控制，以便和：增加帶負(fù)載能力

7、；同時(shí)提供三態(tài)控制，以便和系統(tǒng)的總線相連。系統(tǒng)的總線相連。 存取速度：用完成一次存取所需的時(shí)間表示。高速存儲(chǔ)器存取速度：用完成一次存取所需的時(shí)間表示。高速存儲(chǔ)器的存取時(shí)間僅有的存取時(shí)間僅有10ns左右。左右。62.工作原理工作原理按組合電路進(jìn)行分析。按組合電路進(jìn)行分析。二四線二四線譯碼器譯碼器A1,A0的的四個(gè)最小四個(gè)最小項(xiàng)項(xiàng)字線字線存儲(chǔ)矩陣是四個(gè)二極管或門(mén)；存儲(chǔ)矩陣是四個(gè)二極管或門(mén)；當(dāng)當(dāng)EN=0時(shí)時(shí)， 。iiDDD1= D3 = A0D0 = W1+ W0 = A1真值表：真值表：真值表與存真值表與存儲(chǔ)單元有一儲(chǔ)單元有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系一對(duì)應(yīng)關(guān)系位線位線0011D01010D11101D21010

8、D31010A01100A1D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0D2= W1= A1+A07二、可編程只讀存二、可編程只讀存儲(chǔ)器儲(chǔ)器PROM 用用MOS工藝制工藝制造的造的ROM的存儲(chǔ)的存儲(chǔ)矩陣如圖：矩陣如圖：或非門(mén)或非門(mén) 產(chǎn)品出廠產(chǎn)品出廠時(shí)存的全是時(shí)存的全是1，用戶可一次性用戶可一次性寫(xiě)入，即把某寫(xiě)入，即把某些些1改為改為0。但。但不能多次擦除。不能多次擦除。 存儲(chǔ)單元多采用熔絲低熔存儲(chǔ)單元多采用熔絲低熔點(diǎn)金屬或多晶硅。寫(xiě)入時(shí)設(shè)法在點(diǎn)金屬或多晶硅。寫(xiě)入時(shí)設(shè)法在熔絲上通入較大的電流將熔絲燒熔絲上通入較大的電流將熔絲燒斷。斷。編程編程時(shí)時(shí)VCC和字和字線電線電壓提壓提高高816字字

9、8位的位的PROM十十六六條條字字線線八八條條位位線線20V十幾微秒十幾微秒編程脈沖編程脈沖 讀出時(shí)，讀出讀出時(shí)，讀出放大器放大器AR工作，寫(xiě)工作，寫(xiě)入放大器入放大器AW不工作。不工作。 寫(xiě)入時(shí)，在位寫(xiě)入時(shí)，在位線輸入編程脈沖使線輸入編程脈沖使寫(xiě)入放大器工作，寫(xiě)入放大器工作，且輸出低電平，同且輸出低電平，同時(shí)相應(yīng)的字線和時(shí)相應(yīng)的字線和VCC提高到編程電平，提高到編程電平，將對(duì)應(yīng)的熔絲燒斷。將對(duì)應(yīng)的熔絲燒斷。缺點(diǎn)：不能重復(fù)擦除。缺點(diǎn)：不能重復(fù)擦除。9三、可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器三、可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）（一）紫外線擦除的只讀存儲(chǔ)器（一）紫外線擦除的只讀存儲(chǔ)器（UVEPROM） 是

10、最早出現(xiàn)的是最早出現(xiàn)的EPROM。通常說(shuō)的。通常說(shuō)的EPROM就是指這種。就是指這種。 1.使用浮柵雪崩注入使用浮柵雪崩注入MOS管管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱FAMOS管。）管。） 寫(xiě)入：管子原來(lái)不導(dǎo)通。在漏源之間加上較寫(xiě)入：管子原來(lái)不導(dǎo)通。在漏源之間加上較高電壓后（如高電壓后（如-20V），漏極），漏極PN結(jié)雪崩擊穿，結(jié)雪崩擊穿，部分高速電子積累在浮柵上，使部分高速電子積累在浮柵上，使MOS管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。擦除：用紫外線或擦除：用紫外線或X射線擦除。需射線擦除。需2030分鐘。分鐘。 浮柵上電荷可長(zhǎng)期保存在浮柵上電荷可長(zhǎng)期保存在

11、125環(huán)環(huán)境溫度下，境溫度下，70%的電荷能保存的電荷能保存10年以上。年以上。存儲(chǔ)單元如圖。存儲(chǔ)單元如圖。 缺點(diǎn)：需要兩個(gè)缺點(diǎn)：需要兩個(gè)MOS管；編程電壓偏高；管；編程電壓偏高；P溝道管的開(kāi)關(guān)速溝道管的開(kāi)關(guān)速度低。度低。102.使用疊柵注入使用疊柵注入MOS管管SIMOS (Stacked-gate Injuction MOS)用用N溝道管；增加控制柵。溝道管；增加控制柵。 SIMOS管原來(lái)可導(dǎo)通，管原來(lái)可導(dǎo)通，開(kāi)啟電壓約為開(kāi)啟電壓約為2V。 注入電荷：在注入電荷：在DS間加高電壓，同時(shí)在控制柵加間加高電壓，同時(shí)在控制柵加25V、50mS寬的脈沖。由于控制柵上有電壓，所以需要的漏源電壓寬的脈

12、沖。由于控制柵上有電壓，所以需要的漏源電壓相對(duì)較小。注入電荷后其開(kāi)啟電壓達(dá)相對(duì)較小。注入電荷后其開(kāi)啟電壓達(dá)7V，不能正常導(dǎo)通。，不能正常導(dǎo)通。 存儲(chǔ)單元如下頁(yè)圖。存儲(chǔ)單元如下頁(yè)圖。256字字X1位。已注入電荷的位。已注入電荷的SIMOS管存入的是管存入的是1。構(gòu)造：構(gòu)造：11這是一種雙譯碼方式，這是一種雙譯碼方式，行地址譯碼器和列地行地址譯碼器和列地址譯碼器共同選中一址譯碼器共同選中一個(gè)單元。每個(gè)字只有個(gè)單元。每個(gè)字只有一位。一位。（二）電可擦除（二）電可擦除EPROM(EEPROM或或E2ROM) 用紫外線擦除操作復(fù)雜，用紫外線擦除操作復(fù)雜，速度很慢。必須尋找新的存速度很慢。必須尋找新的存儲(chǔ)

13、器件，使得可以用電信號(hào)儲(chǔ)器件，使得可以用電信號(hào)進(jìn)行擦除。進(jìn)行擦除。 使用浮柵隧道氧化層使用浮柵隧道氧化層MOS管管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)12寫(xiě)入（寫(xiě)寫(xiě)入（寫(xiě)0）擦除（寫(xiě)擦除（寫(xiě)1）讀出讀出 特點(diǎn)：浮柵與漏區(qū)間的氧特點(diǎn)：浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極?。ɑ飳訕O?。?0納米以下），納米以下），稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場(chǎng)大稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場(chǎng)大于于107V/cm時(shí)隧道區(qū)雙向?qū)?。時(shí)隧道區(qū)雙向?qū)āCGf漏極漏極 當(dāng)隧道區(qū)的等效電容極當(dāng)隧道區(qū)的等效電容極小時(shí)，加在控制柵和漏極間小時(shí)，加在控制柵和漏極間的電壓大部分降在隧道區(qū)，的電壓大部分降在隧道區(qū)，有利于隧

14、道區(qū)導(dǎo)通。有利于隧道區(qū)導(dǎo)通。存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)單元：擦除和寫(xiě)入均利擦除和寫(xiě)入均利用隧道效應(yīng)用隧道效應(yīng)10ms13快閃存儲(chǔ)器就是針對(duì)快閃存儲(chǔ)器就是針對(duì)此缺點(diǎn)研制的。此缺點(diǎn)研制的。（三）快閃存儲(chǔ)器（三）快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory）采用新型隧道氧化采用新型隧道氧化層層MOS管。管。 EEPROM的缺點(diǎn)：擦寫(xiě)需要高電壓脈沖；擦寫(xiě)時(shí)間長(zhǎng)；存儲(chǔ)單的缺點(diǎn)：擦寫(xiě)需要高電壓脈沖；擦寫(xiě)時(shí)間長(zhǎng)；存儲(chǔ)單元需兩只元需兩只MOS管。管。1.隧道層在源區(qū)；隧道層在源區(qū)； 2.隧道層更薄隧道層更薄1015nm。在控制柵和源極間加。在控制柵和源極間加12V電電壓即可使隧道導(dǎo)通。壓即可使隧道導(dǎo)通。該管特點(diǎn)：該管特點(diǎn)：14存

15、儲(chǔ)單元的工作原理：存儲(chǔ)單元的工作原理：1.寫(xiě)入利用雪崩注入法。源極接地；寫(xiě)入利用雪崩注入法。源極接地；漏極接漏極接6V；控制柵；控制柵12V脈沖，寬脈沖，寬10 s。2.擦除用隧道效應(yīng)。控制柵接地；擦除用隧道效應(yīng)。控制柵接地；源極接源極接12V脈沖，寬為脈沖，寬為100ms。因?yàn)槠瑑?nèi)所有疊柵管的源極都連因?yàn)槠瑑?nèi)所有疊柵管的源極都連在一起，所以一個(gè)脈沖就可擦除在一起，所以一個(gè)脈沖就可擦除全部單元。全部單元。3.讀出：源極接地，字線為讀出：源極接地，字線為5V邏輯高邏輯高電平。電平。6V0V12V10 s0V12V100ms快閃存儲(chǔ)器特點(diǎn)：集成度高，容量大，成本低，使用快閃存儲(chǔ)器特點(diǎn)：集成度高，容

16、量大，成本低，使用方便。已有方便。已有64兆位產(chǎn)品問(wèn)世。很有發(fā)展前途。兆位產(chǎn)品問(wèn)世。很有發(fā)展前途。5V15第三節(jié)第三節(jié) 隨機(jī)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）一、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器一、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM 特點(diǎn)：特點(diǎn)：RAM在工作時(shí)在工作時(shí)可隨時(shí)對(duì)任意指定單元進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。可隨時(shí)對(duì)任意指定單元進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。使用方便、靈活。但切斷電源后，所存信息就會(huì)丟失。使用方便、靈活。但切斷電源后，所存信息就會(huì)丟失。 分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM兩種。也兩種。也可稱為讀寫(xiě)存儲(chǔ)器?？煞Q為讀寫(xiě)存儲(chǔ)器。（一）（一）RAM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1.存儲(chǔ)矩陣存儲(chǔ)矩陣21142.

17、地址譯碼：雙譯碼。地址譯碼：雙譯碼。3.讀寫(xiě)控制電路：讀寫(xiě)控制電路：六管單元六管單元片選信號(hào)片選信號(hào)CS：控制控制I/O端是否處在高阻狀態(tài)。端是否處在高阻狀態(tài)。讀寫(xiě)控制信號(hào)讀寫(xiě)控制信號(hào)R/ W：控制電路處于控制電路處于讀出讀出還是還是寫(xiě)入寫(xiě)入狀態(tài)。狀態(tài)。161024字字4位（位（2114）SRAM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)17（二）靜態(tài)（二）靜態(tài)RAM的存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)單元1.六管六管NMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元靜態(tài)存儲(chǔ)單元六管六管NMOS2.六管六管CMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元靜態(tài)存儲(chǔ)單元3.雙極型靜態(tài)存儲(chǔ)單元雙極型靜態(tài)存儲(chǔ)單元18 利用利用MOS管管柵極電容柵極電容可以暫存電荷的原理制成。因此，可以暫存電荷的原理制成。因此，

18、存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)容量大。但柵極存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)容量大。但柵極電容電容很小，由于漏電的很小，由于漏電的影響，電容電荷保存時(shí)間很短。必須定時(shí)給電容充電影響，電容電荷保存時(shí)間很短。必須定時(shí)給電容充電刷刷新新、再生再生。這就需要外圍電路配合。這就需要外圍電路配合。這里只介紹四管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單這里只介紹四管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元。元。*二、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器二、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM讀出：讀出： 先加先加預(yù)充預(yù)充脈沖，使脈沖，使B和和B線充至線充至VDD,再使再使X信信號(hào)有效，就可在號(hào)有效，就可在B和和B線線上得到要求的電平。上得到要求的電平。 這也是刷新過(guò)程。這也是刷新過(guò)程。 如果使如果使Y信號(hào)也有信號(hào)也有效，就能讀出了。效，就能讀出了。寫(xiě)入：寫(xiě)入： 跟靜態(tài)存儲(chǔ)器跟靜態(tài)存儲(chǔ)器類似。類似。19第四節(jié)第四節(jié) 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展一、位擴(kuò)展方式一、位擴(kuò)展方式 方法：所有輸入信號(hào)都并聯(lián)（地址信號(hào)、片選信號(hào)和方法：所有輸入信號(hào)都并聯(lián)（地址信號(hào)、片選信號(hào)和讀寫(xiě)信號(hào)）。輸出并列。讀寫(xiě)信號(hào)）。輸出并列。N=目標(biāo)存儲(chǔ)器容量目標(biāo)存儲(chǔ)器容量已有存儲(chǔ)器容量已有存儲(chǔ)器容量需要片數(shù)需要片數(shù)N=8例：用例：用1024字字1位位RAM構(gòu)成構(gòu)成1024字字8位