《半导体存储器》课件

数字电子技术基础,7.1 概述 7.2 只读存储器( ROM ) 7.3 随机存储器( RAM ) 7.4 存储器容量的扩展 7.5 用存储器实现组合逻辑函数,第七章 半导体存储器,内容提要,本章系统地介绍各种半导体存储器的工作原理及其应用。重点内容有： 1、存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特点； 2、扩展存储器容量的方法； 3、用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。,7.1 概 述,半导体存储器是能存储二值信息（0、1）的半导体器件，属大规模集成电路，是进一步完善数字系统功能的重要部件。,存储器的重要指标：存储量和存取速度。,结构特点：给每个存储单元编一个地址，只有被输入地址代码指定的那些单元才能与公共的输入/输出引脚接通，进行数据的读出和写入。,半导体存储器从制造工艺上分为: (1)双极型存储器 (2)MOS型存储器,鉴于MOS电路具有功耗低、集成度高的优点，目前，大容量的存储器都是采用MOS工艺制作的。,(2) 随机存储器( RAM ),(1) 只读存储器( ROM ),半导体存储器从存、取功能上分为：,7. 2 只读存储器( ROM ),按工艺分,按存储机理分,只读存储器在正常工作状态下只能读取数据，不能快速修改或写入数据。,优点：电路结构简单，断电数据不会丢失。,7. 2 只读存储器( ROM ),7. 2. 1 掩模只读存储器,ROM的电路结构主要由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。,图7.2.1 ROM的电路结构框图,图7.2.2 二极管ROM的电路结构图,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,EN,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,假设 ：,A1A0 11,1,1,1,0,0,EN,当某一字线被选中时，,这个字线与位线间若接有二极管，,则该位线输出为 1 ，否则为0。,假设 ：,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,0,1,0,1,A1A0 10,EN,假设 ：,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,0,1,0,1,A1A0 01,EN,假设 ：,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,0,0,1,1,A1A0 00,EN,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,A1,A0,D3,D2,D1,D0,-VCC,译,码,器,EN,图7.2.3是使用 MOS 管的ROM 矩阵：,字线与位线的交叉点上有 MOS 管时相当于存1，无 MOS 管时相当于存0。,7. 2. 2 可编程只读存储器（PROM）,是一种可编程序的 ROM ，在出厂时全部存储 “1”，用户可根据需要将某些单元改写为 “0”, 然而只能改写一次，称其为 PROM。,若将熔丝烧断，该单元则变成“0”。显然，一旦烧断后不能再恢复。,图7.2.4 熔丝型PROM的存储单元,7.2.3 可擦除的可编程只读存储器,EPROM:紫外线可擦除的可编程只读存储器 (简称UVEPROM),E2PROM:电可擦除的可编程只读存储器,Flash Memory：快闪存储器,1) 存储单元-叠栅MOS管（SIMOS）,原理：利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。在写入数据前：浮栅无电子，SIMOS管同正常MOS管，开启电压为VT ；写数据时，需在漏、栅极之间加足够高的电压（如25V）使漏极与衬底之间的PN结反向击穿，产生大量的高能电子。这些电子穿过氧化绝缘层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负电荷。浮栅有电子后，控制栅需要加更大正压才能使管子开启，开启电压为VT。,1. EPROM:紫外线可擦除只读存储器,1. EPROM:,擦除时，用紫外光照射其透明的石英盖板1020分钟，浮栅上的电子形成光电流而泄放，其内部的数据将全部擦除了，这时可以再通过专用的编程器写入希望的数据。,由于浮栅被绝缘二氧化硅包围，浮栅上电荷没有放电回路，信息不会丢失，这种存储的信息可能安全保存20年以上，但为了防止平时日光中的紫外线的照射，在其石英窗口上帖上黑纸。,2. E2PROM: 电可擦除的PROM,E2PROM是在EPROM的基础上开发出来的，可以在加电的情况下以字节为单位进行擦除和改写,并可直接在机器内进行擦除和改写,方便灵活。,E2PROM内部电路与EPROM电路类似,在SIMOS中的结构进行了一些调整，在浮栅延长区与漏区N+之间的交叠处的薄绝缘层相当于一个遂道二极管（见图7.2.10），该MOS管也称为隧道MOS管。,E2PROM不需要紫外光激发放电，即擦除和编程只须加电就可以完成了，且写入的电流很小。,原理：利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。在D、G正向电压作用下，漏极电荷通过该二极管流向浮栅，使管子导通；若D、G加反向电压，浮栅上的电荷流回漏极，起擦除作用，擦除电压大小与工作电压相同,是80年代末推出的新型存储芯片,它的主要特点是在掉电情况下可长期保存信息,具有非易失性，原理上看象ROM；但又能在线进行快速擦除与改写,功能上象RAM,因此兼有E2PROM和SRAM的优点。,3、快闪存储器(Flash Memory),内部电路与EPROM电路类似,在SIMOS中的结构进行了一些调整。,原理：利用浮栅是否积累负电荷来存储数据。数据写入与EPROM 相同；数据擦除，在源极加正电压，使浮栅放电，按扇区擦除。,Flash有单片应用和固态盘应用，固态盘分卡式和盘式两种。闪速卡,用在可移动计算机中,如数字相机,手机,CD-ROM等。闪速固态盘,用于恶略环境中代替硬盘。,读取速度较快(100ns左右),低功耗,改写次数目前达100万次,价格接近EPROM。存储容量从几十KB, 到几十MB、几GB等。体积小,可靠性高,内部无可移动部分,无噪声,抗震动力强,是小型硬盘的代替品。,7. 3 随机存储器( RAM ),随机存储器又称读写存储器。,随机存储器的特点是：在工作过程中，可随时从存储器的任何指定地址读出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去。,按存储机理主要可分为 静态RAM 、动态RAM两类；静态和动态RAM是易失性存储器，在供电电压中断时，存储内容丢失。,7. 3. 1静态随机存储器（SRAM）,(1) 存储矩阵：,存储器容量= 字数字长,如一个1024 4存储器，有4096个存储单元。,可设计成64 64的矩阵形式。,(2) 地址译码：,存储单元中每个字有唯一的地址，利用地址译码器进行地址选择。,大容量的 存储器中，一般采用双译码结构：,行地址译码器 + 列地址译码器,存储器的容量指的是每个存储芯片所能存储的二进制数的位数。,行地址译码器,行选择线,列地址译码器,列选择线,1024 4(64 16 4)的存储器的地址线：,6根行地址线：(A8A7A6A5A4A3),4根列地址线: (A9A2A1A0),译码产生64根行选择线,译码产生16根列选择线,若A9A8A7A6A5 A4A3A2A1A0=0111111000，,则选中Y0和X63。,图7.3.2 1024 4位RAM（2114）的结构框图,二、 SRAM静态存储单元:,1,介绍静态RAM存储单元的工作原理:,由增强型 NMOS管T1和 T2、T3和T4 构成一个SR锁存器，,它是存储信息的基本单元。,静态RAM特点是： 数据由触发器记忆！,1,T5和T6是门控管，,由字线Wi控制其导通或截止：,Wi1 ，,否则就截止。,两管导通；,门控管T5和T6导通时可以进行“读”或“写”的操作。,1,VGG,Wi,D,D,I/O,R / W,1,2,3,T2,T3,T4,T5,T6,T1,字线,数据线,数据线,R / W的控制作用：,而门2处于高阻状态，,0,三态门1、3接通，,0,0,使 I/O 信号得以经过门1、3送到数据线上，以便写入 。,VGG,Wi,D,D,I/O,R / W,1,2,3,T2,T3,T4,T5,T6,T1,字线,数据线,数据线,R / W的控制作用：,门1、3处于高阻状态，,1,门2接通，,1,将数据线上信号送到 I / O，以便读出。,1,*7.3.2 动态随机存储器（DRAM）,为减少MOS管数目,提高集成度和降低功耗,出现了动态RAM器件。,常见的动态RAM存储单元有三管和单管动态存储电路。,见书图7.3.7、图7.3.8,动态RAM存储数据的原理是基于MOS管栅极电容的电荷存储效应。,即存放信息靠的是电容,由于电容会逐渐放电,故需对动态RAM不断进行读出和再写入,这就是所谓刷新。,静态RAM(即SRAM),其存储电路以双稳态触发器为基础,状态稳定,只要不掉电,信息不会丢失,但集成度低。,动态RAM(即DRAM),存储单元电路以电容为基础,电路简单,集成度高,功耗低,因电容漏电,需定时刷新。,小 结,7.4 存储器容量的扩展,(1K4),(2K8),7.4.1 位扩展 方式,用两片2114( 1024 4 )构成 1024 8,只要把各片地址线、各控制线对应并联在一起，,要达到这个目的方法很简单，,示范接线如下图：,7.4.2 字扩展 方式,思路：,( 1) 访问4096个字单元，必然有 12 根地址线；,( 2) 访问 RAM2114，只需 10 根地址线，尚余 2根地址线 ；,( 3) 设法用剩余的 2根地址线去控制4个2114的片选端 。,通过用10244 ( 4片2114 ) 构成40964为例，介绍 解决这类问题的办法。,用四片 RAM 2114 构成 4096 4 的存储容量,A11,A10,选中片序号,对应的存储单元地址,0 0,1 1,1 0,0 1,2114(1),2114(2),2114(3),2114(4),00 0000000000 00 1111111111,1024 2047,2048 3071,3072 4095,CS,R/W,A9,A0,D2,D1,D0,D3,CS,R/W,A9,A0,D2,D1,D0,D3,CS,R/W,A9,A0,D2,D1,D0,D3,CS,R/W,A9,A0,D2,D1,D0,D3,2114 (1),2114 (2),2114 (3),2114 (4),01 0000000000 01 1111111111,10 0000000000 10 1111111111,11 0000000000 11 1111111111,0 1023,7. 5 用存储器实现组合逻辑函数,ROM的译码器输出包含了输入变量全部的最小项,而每一位数据输出又都是若干个最小项之和,因而任何形式的组合逻辑函数均能通过向ROM中写入相应的数据来实现。,例如，左表是一个ROM的数据表。如果将地址输入A1和A0视为输入变量B和A，把输出数据D3 、D2 、 D1 和D0视为输出变量Y3、 Y2、 Y1和 Y0，则该ROM就实现了一组两变量的多输出组合逻辑函数。,例7.5.1 试用ROM设计一个八段字符显示译码器,其真值表由表7.5.2给出。,解：由给定的真值表可见，应取输入地址为4位，输出数据为8位的（168位）的ROM来实现。,图中以接入二极管表示存入0，未接入二极管表示存入1。,例7.5.2 试用ROM产生如下的一组多输出逻辑函数。,解:将表达式化为最小项之和的形式得,图7.5.2 例7.5.2的ROM点阵图,课后练习,7.1, 7.2, 7.4,思考题：7.5,第七章 结 束,