《半导体存储器》PPT课件.pptx

第 6章 半 导 体 存 储 器 本 章 要 点 本 章 主 要 介 绍 静 态 随机 存 储 器 与 动 态 随 机 存 储器 的 电 路 结 构 特 点 和 工 作原 理 ， 并 且 概 括 地 介 绍 了只 读 存 储 器 的 结 构 特 点 和只 读 存 储 器 的 类 型 。 重 点介 绍 存 储 器 的 扩 展 方 法 。 动 态 MOS存 储 单 元 6.1 概 述 半 导 体 存 储 器 ： 用 于 储 存 大 量 二 进 制 数 据 的 半 导体 器 件 ， 它 是 由 存 储 单 元 矩 阵 构 成 。 位 （ bit） ： 二 进 制 中 的 一 个 数 码 ， 它 是 半 导 体 存 储 器 中 存储 数 据 的 最 小 单 位 。 字 节 （ Byte） ： 8位 （ bit） 二 进 制 数 。 半 字 节 （ nibble） ： 一 个 字 节 分 为 两 组 ， 4位 为 半 个 字 节 字 （ word） ： 一 个 完 整 的 信 息 单 位 ， 通 常 一 个字 包 含 一 个 或 多 个 字 节 。 半 导 体 存 储 器 由 存 储 单 元 矩 阵 构 成 ， 每 个 存 储 单元 中 要 么 是 0， 要 么 是 1， 每 个 矩 阵 单 元 可 以 通 过 行 和列 的 位 置 来 确 定 ， 存 储 单 元 矩 阵 可 以 有 几 种 不 同 的 构成 形 式 。 32个 存 储 单 元 的 半 导 体 存 储 器 半 导 体 存 储 器 的 重 要 指 标 ： 1 存 储 容 量 指 存 储 器 可 以 容 纳 的 二 进 制 信 息 量 ， 以 存 储 器 中 存 储 地 址寄 存 器 （ MAR， Memory Address Register） 的 编 址 数 与 存储 字 位 数 的 乘 积 表 示 ， M位 地 址 总 线 、 N位 数 据 总 线 的 半 导 体存 储 器 芯 片 的 存 储 容 量 为 2M N位 。如 ， 某 存 储 器 芯 片 的 MAR为 16位 ， 存 储 字 长 为 8位 ， 则 其 存储 容 量 为 216 8位 = 64K 8位 ， 64K即 16位 的 编 址 数 。 2 存 储 速 度 存 储 器 的 存 储 速 度 可 以 用 两 个 时 间 参 数 表 示 ：“ 存 取 时 间 ” (Access Time) T A 和 “ 存 储 周期 ” (Memory Cycle)TMC ， 存 储 周 期 TMC略 大 于 存 取 时间 TA。启 动 一 次 存 储 器 操作 ， 到 完 成 该 操 作所 经 历 的 时 间 起 动 两 次 独 立 的 存储 器 操 作 之 间 所 需的 最 小 时 间 间 隔 6.2随 机 存 储 器 随 机 存 取 存 储 器 也 称 随 机 存 储 器 或 随 机 读 /写 存 储 器（ RANDOM - ACCESS MEMORY ） ， 简 称 RAM。 RAM工 作时 可 以 随 时 从 任 何 一 个 指 定 的 地 址 写 入 (存 入 )或 读 出 (取 出 )信 息 ,分 为 静 态 随 机 存 取 存 储 器 ( SRAM ) 和 动 态 随 机 存 取 存 储 器 ( DRAM ) 。（ 1） SRAM （ STATIC RANDOM - ACCESS MEMORY ） MOS管 组 成 的 单 极 型 SRAM是 由 6个 MOS管 组 成 的 双 稳态 触 发 电 路 。 SRAM的 特 点 是 只 要 电 源 不 撤 除 ， 写 入 SRAM的信 息 将 不 会 消 失 ， 不 需 要 刷 新 电 路 。 同 时 再 读 出 时 不 破 坏 原 存信 息 ， 一 经 写 入 可 多 次 读 出 。 SRAM的 功 耗 较 大 ， 容 量 较 小 ，存 取 速 度 较 快 。 （ 2） DRAM（ Dynamic RANDOM - ACCESS MEMORY ） DRAM是 利 用 MOS管 的 栅 极 对 其 衬 底 间 的 分 布 电 容 来 保存 信 息 ， 以 储 存 电 荷 的 多 少 ， 即 电 容 端 电 压 的 高 低 来 表 示 “ 1”和 “ 0”。 DRAM的 每 个 存 储 单 元 所 需 的 MOS管 较 少 ， 可 以 由 4管 、 3管 和 单 管 MOS组 成 ， 因 此 DRAM的 集 成 度 较 高 、 功 耗 也低 。 但 缺 点 是 保 存 在 DRAM中 的 信 息 MOS管 栅 极 分 布 电 容上 的 电 荷 会 随 着 电 容 器 的 漏 电 而 逐 渐 消 失 ， 一 般 信 息 保 存 时 间为 2ms左 右 。 为 了 保 存 DRAM中 的 信 息 ， 每 隔 1 2ms要 对 其 刷新 一 次 ， 因 此 采 用 DRAM的 计 算 机 必 须 配 置 刷 新 电 路 。 另 外 ，DRAM的 存 取 速 度 较 慢 ， 容 量 较 大 。 一 般 微 机 系 统 中 的 内 存 都采 用 DRAM 。 6.2.1 静 态 随 机 存 储 器 1 电 路 结 构 SRAM主 要 由 存 储 矩 阵 、 地 址 译 码 器 和 读 /写 控 制 电 路 三 部 分组 成 。 SRAM结 构 示 意 图 存 储 矩 阵 由 许 多 存 储 单 元 排 列 组 成 ， 每 个 存 储 单 元 能存 放 一 位 二 值 信 息 (0或 1)， 在 译 码 器 和 读 /写 电 路 的 控 制下 ， 进 行 读 /写 操 作 。说 明 ： 地 址 译 码 器 一 般 都 分 成 行 地 址 译 码 器 和 列 地 址 译 码 器两 部 分 ， 行 地 址 译 码 器 将 输 入 地 址 代 码 的 若 干 位 A0Ai译成 某 一 条 字 线 有 效 ， 从 存 储 矩 阵 中 选 中 一 行 存 储 单 元 ；列 地 址 译 码 器 将 输 入 地 址 代 码 的 其 余 若 干 位 (Ai+1An-1)译成 某 一 根 输 出 线 有 效 ， 从 字 线 选 中 的 一 行 存 储 单 元 中 再选 一 位 (或 n位 )， 使 这 些 被 选 中 的 单 元 与 读 /写 电 路 和I/O(输 入 /输 出 端 )接 通 ， 以 便 对 这 些 单 元 进 行 读 /写 操 作 。 读 /写 控 制 电 路 用 于 对 电 路 的 工 作 状 态 进 行 控 制 。 CS称为 片 选 信 号 ， 当 CS=0时 ， RAM工 作 ； CS=1时 ， 所 有 I/O端 均 为 高 阻 状 态 ， 不 能 对 RAM进 行 读 /写 操 作 。 R/W称 为读 /写 控 制 信 号 。 R/ W=1 时 ， 执 行 读 操 作 ， 将 存 储 单 元 中的 信 息 送 到 I/O端 上 ； 当 R/ W=0时 ， 执 行 写 操 作 ， 加 到I/O端 上 的 数 据 被 写 入 存 储 单 元 中 。 2 SRAM的 静 态 存 储 单元 六 管 NMOS存 储 单 元 说 明 ： V1V4管 ： 构 成 基 本 RS触 发 器 ，用 于 存 储 数 据 ； V5、 V6管 ： 行 选 通 管 ， 受 行 选 线X控 制 。 X=0时 ， 两 个 管 子 截 止 ；X=1时 ， 两 个 管 子 导 通 ， 存 储 的 数据 送 到 位 线 上 ； V 7、 V8管 ： 列 选 通 管 ， 受列 选 线 Y控 制 ， 列 选 线 Y为 高电 平 时 ， 位 线 上 的 信 息 被 分 别送 至 输 入 输 出 线 ， 从 而 使 位 线上 的 信 息 同 外 部 数 据 线 相 通 。 工 作 原 理 ： 读 出 操 作 : 当 行 选 线 X和 列 选 线 Y同 时为 “ 1”， 则 存 储 信 息 Q和 Q被读 到 I/O线 和 I/O线 上 。 写 入 信 息 操 作 当 X、 Y线 为 “ 1”时 ， 将 要 写 入 的 信 息 加 在 I/O线 上 ，经 反 相 后 I/O线 上 有 其 相 反 的 信 息 。 信 息 经 V 7、 V8 和 V5、V6加 到 触 发 器 的 Q端 和 Q端 ， 也 就 是 加 在 了 V3和 V1的 栅 极 ，从 而 使 触 发 器 触 发 ， 即 信 息 被 写 入 。 由 于 CMOS电 路 具 有 微 功 耗 的 特 点 ， 目 前 大 容 量 的 静 态RAM中 几 乎 都 采 用 CMOS存 储 单 元 。 六 管 CMOS存 储 单 元P沟 道 增强 型 SRAM芯 片 HM6116简 介 HM6116是 一 种 2048 8位 （ 2K 8） 的 高 速 静 态CMOS随 机 存 取 存 储 器 ， 完 全 静 态 无 需 时 钟 脉 冲 与 定 时 选 通 脉 冲 。 高 速 度 ： 存 取 时 间 为 100ns 120ns 150ns 200ns(分 别 以 611610，611612， 6116115， 611620为 标 志 )； 低 功 耗 运 行 时 为 150mW， 空 载 时 为 100mW； 与 TTL兼 容 ； 管 脚 引 出 与 标 准 的 2K 8的 芯 片 (例 如 2716芯 片 )兼 容 ；其 特 点 为管 脚 图 6.2.2 动 态 随 机 存 储 器 动 态 随 机 存 储 器 （ Dynamic RAM） ， 简 称 动 态 RAM或DRAM。 动 态 RAM的 存 储 矩 阵 由 动 态 MOS存 储 单 元 组 成 ， 是 利用 MOS管 的 栅 极 电 容 来 存 储 信 息 的 。 动 态 MOS存 储 单 元 有 四管 电 路 、 三 管 电 路 和 单 管 电 路等 。 四 管 和 三 管 电 路 比 单 管 电路 复 杂 ， 但 外 围 电 路 简 单 ， 一般 容 量 在 4 K以 下 的 RAM多 采用 四 管 或 三 管 电 路 。 1.四 管 动 态 MOS存储 单 元 电 路 四 管 动 态 MOS存 储 单 元 电 路 构 成 ： V1和 V2为 两 个 N沟 道 增 强 型MOS管 ， 它 们 的 栅 极 和 漏 极 交叉 相 连 ， 信 息 以 电 荷 的 形 式 储存 在 电 容 C1和 C2上 ； V5、 V6 是 同 一 列 中 各 单 元 公 用的 预 充 管 ， 是 脉 冲 宽 度 为 1s而周 期 一 般 不 大 于 2ms的 预 充 电 脉 冲 ，CO1、 CO2是 位 线 上 的 分 布 电 容 ，其 容 量 比 C1、 C2大 得 多 ； V7、 V8管 ： 列 选 通 管 ， 受 列 选 线 Y控 制 。 V3、 V4管 ： 行 选 通 管 ， 受行 选 线 X控 制 ； 工 作 原 理 ： 读 出 数 据 ：读 数据 前 加 预充 脉冲 V5和 V6导 通 分 布 电 容CO1、 CO2充 电 到 VDD消 失 V5和 V6截 止 CO1、 CO2电 荷 保 持读“ 0” 使 D=0D=1 C1有 电 荷 ，C2无 电 荷X=1，Y=1 选 中 某 存储 单 元 V1导 通V2截 止V3、 V4、 V7、V8导 通CO1放 电 到“ 0”， CO2为 C1充 电 若 Q=0Q=1 读“ 0”使 D=1D=0C1无 电 荷 ，C2有 电 荷X=1，Y=1 选 中 某 存储 单 元 V1截 止V2导 通V3、 V4、 V7、V8导 通 CO2放 电 到“ 0”， CO1为 C2充 电若 Q=1Q=0写入 “ 0” X=1，Y=1 选 中 某 存储 单 元 V 3、 V4、 V7、V8导 通 若 D=0D=1 C1充 电C2放 电使 Q=0Q=1 写入 “ 1” X=1，Y=1 选 中 某 存储 单 元 V3、 V4、 V7、V8导 通 若 D=1D=0C1放 电C2充 电 使 Q=1Q=0注 意 ： 由 于 栅 极 电 容 的 容 量 很 小 ， 而 漏 电 流 又 不 可 能 绝对 等 于 0， 所 以 电 荷 保 存 的 时 间 有 限 。 为 了 避 免 存 储 信息 的 丢 失 ， 必 须 定 时 地 给 电 容 补 充 漏 掉 的 电 荷 。 通 常 把这 种 操 作 称 为 “ 刷 新 ” 或 “ 再 生 ” ， 因 此 DRAM内 部 要有 刷 新 控 制 电 路 ， 其 操 作 也 比 静 态 RAM复 杂 。 2.单 管 动 态 MOS存 储 单 元 电 路 由 一 个 NMOS管 和 存 储 电 容 器 C S构 成 , CO是 位 线 上的 分 布 电 容 (COCS)。 显 然 ， 采 用 单 管 存 储 单 元 的DRAM， 其 容 量 可 以 做 得 更 大 。单 管 动 态 MOS存 储 单 元构 成 ： 读 出 信 息 时 也 使 字 线 为 高 电 平 ， V管 导 通 ， 这 时 CS经 V向 CO充 电 ， 使 位 线 获 得 读 出 的 信 息 。 设 位 线 上 原 来 的 电 位 UO=0，CS原 来 存 有 正 电 荷 ， 电 压 US为 高 电 平 ， 因 读 出 前 后 电 荷 总 量 相 等 ， 有 ， 由 于 DRAM存 储 单 元 的 结 构 能 做 得 非 常 简 单 ， 所 用 元 件 少 ，功 耗 低 ， 所 以 目 前 已 成 为 大 容 量 RAM的 主 流 产 品 。 其 中 单 管 为首 选 。写 入 信 息 时 ， 字 线 为 高 电 平 ， V导 通 ， 位线 D上 的 数 据 经 过 V存 入 CS。 工 作 原 理 ： 由 于 COCS， 所 以 UOUS。 例 如 读 出 前 US=5V, CS/CO = 1/50， 则 位 线 上读 出 的 电 压 将 仅 有 0.1V， 而 且 读 出 后 CS上 的 电 压 也 只 剩 下 0.1V， 故 每 次 读出 后 ， 要 对 该 单 元 补 充 电 荷 进 行 刷 新 ， 同 时 还 需 要 高 灵 敏 度 读 出 放 大 器 对 读出 信 号 加 以 放 大 。 USCS=UO(CS+CO) SOS SO UCC CU += SRAM和 DRAM的 区 别 ： SRAM的 特 点 是 工 作 速 度 快 ， 只 要 电 源 不 撤 除 ， 写 入 SRAM的 信 息 就 不 会 消 失 ， 不 需 要 刷 新 电 路 ， 同 时 在 读 出 时 不 破 坏 原来 存 放 的 信 息 ， 一 经 写 入 可 多 次 读 出 ， 但 集 成 度 较 低 ， 功 耗 较大 。 SRAM一 般 用 来 作 为 计 算 机 中 的 高 速 缓 冲 存 储 器 (Cache)。 DRAM的 每 个 存 储 单 元 所 需 的 场 效 应 管 较 少 ， ， 集 成 度较 高 ， 功 耗 也 较 低 ， 但 缺 点 是 保 存 在 DRAM中 的 信 息 -场 效应 管 栅 极 分 布 电 容 里 的 信 息 随 着 电 容 器 的 漏 电 而 会 逐 渐 消 失 ，一 般 信 息 保 存 时 间 为 2ms左 右 。 为 了 保 存 DRAM中 的 信 息 ，必 须 每 隔 1 2ms对 其 刷 新 一 次 。 因 此 ， 采 用 DRAM的 计 算机 必 须 配 置 动 态 刷 新 电 路 ， 防 止 信 息 丢 失 。 DRAM一 般 用 作计 算 机 中 的 主 存 储 器 。 6.3 只 读 存 储器 ROM的 特 点 是 在 正 常 工 作 状 态 下 只 能 从 中 读 取 数 据 ， 不 能 快速 随 时 修 改 或 重 新 写 入 数 据 。 其 电 路 结 构 简 单 ， 而 且 断 电 后 数据 也 不 会 丢 失 。 缺 点 是 只 能 用 于 存 储 一 些 固 定 数 据 的 场 合 。分类 可 编 程 只 读 存 储 器 （ Programmable ROM， PROM） 可 擦 可 编 程 序 只 读 存 储 器 （ Erasable Programmable Read Only Memory， EPROM） 电 可 擦 可 编 程 只 读 存 储 器 （ Electrically Erasable Programmable Read Only Memory， EEPROM） 快 闪 存 储 器 （ Flash memory） 掩 模 只 读 存 储 器 （ mask Read-Only Memory， ROM） 一 次 可 编 程 序 只 读 存 储 器 （ One Time Programmable Read Only Memory， OPTROM） 1、 掩 模 ROM 是 一 种 只 能 读 取 资 料 的 内 存 。 在 制 造 过 程 中 ， 以 特 殊 掩 膜技 术 将 数 据 烧 录 于 线 路 中 ， 数 据 在 写 入 后 就 不 能 更 改 。 此 存 储器 的 制 造 成 本 较 低 ， 常 用 于 批 量 大 的 数 据 固 定 的 产 品 。 2、 PROM PROM的 内 部 有 矩 阵 式 排 列 的 熔 丝 ， 视 需 要 利 用 电 流 将 其烧 断 ， 写 入 所 需 的 数 据 ， 但 仅 能 写 入 一 次 。 3、 EPROM EPROM可 利 用 高 电 压 将 数 据 编 程 写 入 ， 擦 除 时 将 线路 曝 光 于 紫 外 线 下 ， 则 数 据 可 被 清 空 ， 并 且 可 重 复 使 用 。通 常 在 封 装 外 壳 上 会 预 留 一 个 石 英 透 明 窗 以 方 便 曝 光 。 4、 OTPROM 一 次 编 程 只 读 存 储 器 OPTROM的 写 入 原 理 同 EPROM， 但是 为 了 节 省 成 本 ， 编 程 写 入 之 后 就 不 再 擦 除 ， 因 此 不 设 置 透 明窗 。 5、 EEPROM 电 子 式 可 擦 除 可 编 程 只 读 存 储 器 EEPROM的 工 作 原 理 类 似EPROM， 但 是 擦 除 的 方 式 是 使 用 高 电 场 来 完 成 ， 因 此 不 需 要 透明 窗 。 6、 快 闪 存 储 器 快 闪 存 储 器 （ Flash memory） 的 每 一 个 记 忆 单 元都 具 有 一 个 “ 控 制 闸 ” 与 “ 浮 动 闸 ” ， 利 用 高 电 场 改变 浮 动 闸 的 临 限 电 压 即 可 进 行 编 程 操 作 。 ROM组 成 ： 与 RAM相 似 ， 没 有 读 /写 电 路 ， 因 为 它只 读 不 能 写 。 ROM组 成 框 图 ROM电 路 结 构 包 含 存 储 矩 阵 、 地 址 译 码 器 和 输 出缓 冲 器 三 个 部 分 。 a.存 储 矩 阵 存 储 矩 阵 是 由 许 多 存 储 单 元 排 列 而 成 。 存 储 单 元 可以 是 二 极 管 、 双 极 型 三 极 管 或 MOS管 ， 每 个 单 元 能 存 放 1位 二 值 代 码 （ 0或 1)， 而 每 一 个 或 一 组 存 储 单 元 有 一 个相 应 的 地 址 代 码 。 16 8的 ROM矩 阵 字 线 16 8的 ROM矩 阵 存 储单 元位 线 存 储 的 数 据 为 1 存 储 的 数 据 为 1 字 线位 线 二 极 管 ROM 点 阵 图 6.4存 储 器 的 扩 展 当 使 用 一 片 ROM或 RAM器 件 不 能 满 足 对 存 储 容 量 的 需 求时 ， 则 需 要 将 若 干 片 ROM或 RAM组 合 起 来 ， 构 成 更 大 容 量 的存 储 器 。 存 储 容 量 的 扩 展 方 式 有 ： 位 扩 展 方 式 、 字 扩 展 方 式 及复 合 扩 展 。6.4.1 位 扩 展 通 常 RAM芯 片 的 字 长 多 设 计 成 1位 、 4位 、 8位 等 ， 当 实际 的 存 储 器 系 统 的 字 长 超 过 RAM芯 片 的 字 长 时 ， 需 要 对RAM实 行 位 扩 展 。位 扩 展 可 以 利 用 芯 片 的 并 联 方 式 实 现 ，即 将 RAM的 地 址 线 、 R/W线 和 片 选 信号 线 对 应 地 并 接 在 一 起 ， 而 各 个 片 子 的输 入 /输 出 （ I/O） 作 为 字 的 各 个 位 线 所 需 的 芯 片 数 量 为 （ 1024 8） /（ 1024 4） =2片 ， 地 址总 线 为 10根 ， 数 据 总 线 为 8根 。 【 1 】 把 1024 4的 RAM扩 展 为 1024 8的 RAM。解 ： 连 线 图 【 2 】 把 1024 1的 RAM芯 片 扩 展 成 1024 8的 RAM。解 ： 所 需 的 芯 片 数 量 为 （ 1024 8） /（ 1024 1） = 8片 ， 地 址总 线 为 10根 ， 数 据 总 线 为 8根 。 连 线 图 6.4.2 字 扩 展 若 每 一 片 存 储 器 (ROM或 RAM） 的 数 据 位 数 够 而 字 数 不 够时 ， 则 需 要 采 用 字 扩 展 方 式 ， 以 扩 大 整 个 存 储 器 的 字 数 ， 得 到字 数 更 多 的 存 储 器 ， 字 数 的 扩 展 可 以 利 用 外 加 译 码 器 控 制 芯 片的 片 选 输 入 端 来 实 现 。【 例 3】 将 1K 4的 RAM芯 片 扩 展 为 2K 4的 存 储 器 系 统 。 所 需 的 芯 片 数 量 为（ 2K 4） /（ 1K 4） = 2片 ，地 址 总 线 为 11根 ， 数 据 总 线为 4根 。解 ： 连 线 图 第 一 片 的 存 储 容 量 为 1K 4， 地 址 范 围 是A10 A9 A8 A7A0 十 六 进 制0 0 0 00000000 000H0 1 1 11111111 3FFH 第 二 片 的 存 储 容 量 为 1K 4， 地 址 范 围 是A1 0 A9 A8 A7 A0 十 六 进 制1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 H1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 FFH 【 例 4 】 用 256 8位 的 RAM接 成 一 个 1024 8位解 ： 所 需 的 芯 片 数 量 为 （ 1K 8） /（ 256 8） = 4片 ， 地 址 总线 为 10根 ， 数 据 总 线 为 8根 。 连 线 图 6.4.3 复 合 扩 展 如 果 一 片 RAM或 ROM的 位 数 和 字 数 都 不 够 ， 就 需 要 同 时 采用 位 扩 展 和 字 扩 展 方 法 ， 用 多 片 组 成 一 个 大 的 存 储 器 系 统 ， 以满 足 对 存 储 容 量 的 要 求 。【 例 5】 将 1K 4的 RAM扩 展 为 4K 8的 存 储 器 系 统 。 所 需 的 芯 片 数 量 为 （ 4K 8） /（ 1K 4） = 8片 ， 地 址 总线 为 12根 ， 数 据 总 线 为 8根 。解 ： 连 线 图 本 章 小 结 本 章 简 要 说 明 了 半 导 体 存 储 器 的 结构 、 种 类 以 及 工 作 原 理 ， 通 过 例 题说 明 存 储 器 扩 展 的 方 法 。 作 业 6-1 6-2 6-4 6-5 6-6