第10章半导体存储器课件

数数 字字 电电 子子 技技 术术 基基 础础第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.1 概述概述10.2 只读存储器（只读存储器（ROM）10.3 随机存储器（随机存储器（RAM）10.4 本章小结本章小结第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.1 10.1 概述概述一个典型的工业控制系统的简单原理框图一个典型的工业控制系统的简单原理框图CPU模模/数数 转换转换键盘键盘模块模块传感器传感器数数/模模 转换转换显示显示模块模块后级后级设备设备现场动作设备现场动作设备 存储器模块存储器模块第第1010章章 半导体存储器半导体存储器一一.二进制数据的存储单位二进制数据的存储单位字字位位字节字节半字节半字节位（位（b b）是二进制数据的最小单位。是二进制数据的最小单位。以以8 8位二进制数据作为一个处理单位二进制数据作为一个处理单元，称为元，称为1 1个个字节（字节（B B）。完整的二进制数据的信息单位是完整的二进制数据的信息单位是字字，一般，一般由一个或者多个字节组成，所具有的数据位数由一个或者多个字节组成，所具有的数据位数称为称为字长字长。一个字节又常常分为两个一个字节又常常分为两个4 4位单元，位单元，称为称为半字节半字节。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器二二.半导体存储器的阵列结构和存储容量半导体存储器的阵列结构和存储容量123456781234567812315161234字字位位字字位位88 b164 b第第1010章章 半导体存储器半导体存储器二二.半导体存储器的阵列结构和存储容量半导体存储器的阵列结构和存储容量存储器的存储容量存储器的存储容量 =字数字数位数位数存储容量的单位存储容量的单位三三.半导体存储器的基本操作半导体存储器的基本操作写操作写操作读操作读操作第第1010章章 半导体存储器半导体存储器1.1.半导体存储器的读操作半导体存储器的读操作地地址址译译码码器器01234567100地址寄存器地址寄存器地地址址总总线线10110010读指令读指令10110010数数据据总总线线（3 3 位）位）（8 8 位）位）数据寄存器数据寄存器第第1010章章 半导体存储器半导体存储器2.2.半导体存储器的写操作半导体存储器的写操作地地址址译译码码器器01234567011地址寄存器地址寄存器地地址址总总线线10010111写指令写指令10010111数数据据总总线线（3 3 位）位）（8 8 位）位）数据寄存器数据寄存器第第1010章章 半导体存储器半导体存储器三三.半导体存储器的分类半导体存储器的分类只只读存存储器器 ROM掩膜掩膜ROM固定固定ROM PROM可可编程程ROM E2PROM 电可擦除的可擦除的可可编程程ROM紫外光可擦除的紫外光可擦除的 可可编程程ROM EPROM Flash Memory闪存存第第1010章章 半导体存储器半导体存储器三三.半导体存储器的分类半导体存储器的分类随机存随机存储器器 RAMSRAM静静态RAM DRAM动态RAM用双极型锁存器或用双极型锁存器或者者MOS型锁存器组型锁存器组成存储单元。成存储单元。用电容组成存储单用电容组成存储单元，因此集成度可元，因此集成度可以做得很高，以做得很高，第第1010章章 半导体存储器半导体存储器地地址址译译码码器器0123456712345678 掩膜掩膜ROM字字线位位线只读存储器（只读存储器（ROM）存储阵列的改进）存储阵列的改进第第1010章章 半导体存储器半导体存储器地地址址译译码码器器0123456712345678 掩膜掩膜ROM PROM字字线位位线只读存储器（只读存储器（ROM）存储阵列的改进）存储阵列的改进第第1010章章 半导体存储器半导体存储器地地址址译译码码器器0123456712345678 掩膜掩膜ROM PROM EPROM字字线 闪存存位位线 E2PROM 特殊特殊MOS管管 特殊特殊MOS管管SIMOS 管管叠栅叠栅 MOS 管管Flotox 管管只读存储器（只读存储器（ROM）存储阵列的改进）存储阵列的改进第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.2 10.2 只读存储器（只读存储器（ROM）ROM是是永久性存储器永久性存储器，掉电时，数据不丢失，用于存储，掉电时，数据不丢失，用于存储需要长期保存、重复使用而不需要改变的二进制数据。需要长期保存、重复使用而不需要改变的二进制数据。10.2.1 10.2.1 掩膜掩膜ROM一一.ROM 的基本结构的基本结构 n 位位地址总线地址总线地地址址译译码码器器输出缓冲器输出缓冲器A0A1An-1W0W1W2n-1W2存存储储器器阵阵列列D0D1Dm-1D2D0D1Dm-1D2m个位线个位线2n个字线个字线第第1010章章 半导体存储器半导体存储器W0W1W2W3A1A1A0A0A0A1D3D2D1D0地址译码器地址译码器（与阵列）（与阵列）44b 存储阵列存储阵列 （或阵列）（或阵列）二二.ROM 的工作原理的工作原理1 1&1 1 1 1 第第1010章章 半导体存储器半导体存储器二二.ROM 的工作原理的工作原理1.1.ROM的存储原理的存储原理地址码地址码A1 A0 位位 线线D1 D0 D1 D0 0 0 1 0 1 10 1 1 1 0 11 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0第第1010章章 半导体存储器半导体存储器A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D0=1D2=0第第1010章章 半导体存储器半导体存储器A1=0A0=1W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D0=1D2=1第第1010章章 半导体存储器半导体存储器A1=1A0=0W0=0W1=0W2=1W3=0D3=1D1=0D0=0D2=1第第1010章章 半导体存储器半导体存储器A1=1A0=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D0=1D2=1第第1010章章 半导体存储器半导体存储器2.2.实际实际ROM的内部电路分析的内部电路分析地址码地址码A1 A0 位位 线线D1 D0 D1 D0 0 0 1 0 1 10 1 1 1 0 11 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0第第1010章章 半导体存储器半导体存储器W0W1W2W3A1A1A0A0A0A1D3D2D1D0地址译码器地址译码器（与阵列）（与阵列）44b 存储阵列存储阵列 （或阵列）（或阵列）1 1 三三.ROM 的简化画法的简化画法第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.2.2 10.2.2 可编程可编程ROM（PROM）一一.PROM 的工作原理的工作原理 可以对可以对PROM其进行编程开发，其进行编程开发，写入数据，但只能操作写入数据，但只能操作一次，一次，完成后与掩膜完成后与掩膜ROM就完全一样了，只读不写。就完全一样了，只读不写。1.1.采用熔断丝连接方式的采用熔断丝连接方式的PROM地地址址译译码码器器01234567字字线位位线第第1010章章 半导体存储器半导体存储器一一.PROM 的工作原理的工作原理2.2.采用反熔丝结构的采用反熔丝结构的PROM地地址址译译码码器器01234567字字线位位线第第1010章章 半导体存储器半导体存储器 地址译码器地址译码器（与阵列固定）（与阵列固定）44b 存储阵列存储阵列（或阵列可编程）（或阵列可编程）W0W1W2W3A1A1A0A0A0A1D3D2D1D01 1 二二.PROM 的简化画法的简化画法 第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.2.3 10.2.3 ROM的应用的应用一一.ROM 的扩展的扩展 所谓所谓“ROM的扩展的扩展”，指通过增大字线、位线的，指通过增大字线、位线的数量，提高其存储容量。数量，提高其存储容量。ROM的扩展的扩展包括包括字扩展字扩展和和位扩展位扩展两类。两类。字扩展字扩展位扩展位扩展 通过通过增加输入地址码的数量增加输入地址码的数量，来扩展，来扩展ROM所存储的字的数量，但输出位线数量不变。所存储的字的数量，但输出位线数量不变。ROM的位扩展更简单，不需要扩展输入地址的位扩展更简单，不需要扩展输入地址码，只需要码，只需要增加输出信号端（位线）数量增加输出信号端（位线）数量即可。即可。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器1.1.ROM的字扩展的字扩展648b ROM 2568b ROM第第1010章章 半导体存储器半导体存储器1.1.ROM的位扩展的位扩展641b ROM 644b ROM第第1010章章 半导体存储器半导体存储器W0W1W2W3A1A1A0A0A0A1D3D2D1D0地址译码器地址译码器（与阵列）（与阵列）44b 存储阵列存储阵列 （或阵列）（或阵列）1 1 二二.ROM 在组合逻辑设计中的应用在组合逻辑设计中的应用第第1010章章 半导体存储器半导体存储器逻辑命题逻辑命题真值表真值表最小项标准式最小项标准式 地址端地址端输入变量输入变量 位线位线输出变量输出变量 确定或阵列的连接确定或阵列的连接电路图电路图ROM选型选型 理解理解设计目标设计目标 确定确定存储数据存储数据输入变量个数输入变量个数（地址码）（地址码）逻辑函数个数逻辑函数个数 （位线）（位线）第第1010章章 半导体存储器半导体存储器【例例1】选用合适的用合适的ROM器件，器件，实现组合合逻辑函数。函数。解：解：Y1=m(2,3,4,5,8,9,14,15）Y2=m(6,7,10,11,14,15）Y3=m(0,3,6,9,12,15）Y4=m(7,11,13,14,15）m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m151111A3A2A1A0D1D2D3D0ABCDY1Y2Y3Y4164b ROM第第1010章章 半导体存储器半导体存储器【例例2】选用合适的用合适的ROM器件，器件，设计一个一个代代码转换电路，将路，将 8421 码转换为对应的余的余 3 码。A B C DW X Y Z 0 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0 1 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1 0 0 0 00 0 0 10 0 1 0 0 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0 1 0 0 1ABCD 码制码制转换器转换器WXYZ0123456789101112131415第第1010章章 半导体存储器半导体存储器CBAWD11=1=1&1XYZ第第1010章章 半导体存储器半导体存储器【例例2】选用合适的用合适的ROM器件，器件，设计一个一个代代码转换电路，将路，将 8421 码转换为对应的余的余 3 码。解：解：A B C DW X Y Z 0 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0 1 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1 0 0 0 00 0 0 10 0 1 0 0 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0 1 0 0 101234567891011121314150 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0第第1010章章 半导体存储器半导体存储器m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m151111A3A2A1A0D1D2D3D0ABCDWXYZ164b ROM第第1010章章 半导体存储器半导体存储器总总 结结应用特点应用特点特殊情况特殊情况 缺陷缺陷设计要求决定要求决定ROM选型型运算表运算表电路路ROM规模模过大大时约束关系的束关系的应用意用意义不大不大可能可能浪浪费费硬件硬件资资源源不能不能实现时序序逻辑第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.2.4 10.2.4 其他类型其他类型ROM掩膜掩膜ROM和和PROM可以是双极型，也可以是可以是双极型，也可以是MOS型；型；EPROM、E2PROM、闪存闪存都是都是MOS型设备，以型设备，以采用采用特殊工艺制造的特殊工艺制造的MOS管管制作存储单元。制作存储单元。根据制造工艺的不同：根据制造工艺的不同：第第1010章章 半导体存储器半导体存储器一一.紫外光可擦除的可编程紫外光可擦除的可编程ROM（EPROM）1.1.MOS型型ROM、PROM第第1010章章 半导体存储器半导体存储器2.2.EPROM中使用的中使用的SIMOS管的工作特点管的工作特点GcGfDS漏极漏极源极源极控制栅控制栅浮栅浮栅浮栅浮栅Gf上没有注入电荷时：上没有注入电荷时：SIMOS管的使用与普通管的使用与普通N沟道增强型沟道增强型MOS管一样。管一样。漏极漏极D和源级和源级S间加高电压，同时在控制栅间加高电压，同时在控制栅Gc上加高压正脉冲：上加高压正脉冲：发生雪崩击穿现象，导电沟道中的电子穿过氧化层注入发生雪崩击穿现象，导电沟道中的电子穿过氧化层注入浮栅浮栅Gf并积累起来，并且可以长期保存。并积累起来，并且可以长期保存。浮栅浮栅Gf上注入电荷以后：上注入电荷以后：开启电压会提高很多，对开启电压会提高很多，对Gc加正常的加正常的UH，SIMOS管仍然截止。管仍然截止。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器3.3.EPROM的工作原理的工作原理 EPROM出厂时出厂时 SIMOS管构成存储单元，且管构成存储单元，且都没有注入电荷，都没有注入电荷，d=0，D=1。对对EPROM编程，写入数据编程，写入数据对存储单元中某些对存储单元中某些SIMOS管的浮栅注入负电荷，管的浮栅注入负电荷，d=1，D=0。出厂时内部全部存储数据出厂时内部全部存储数据1简言之，对简言之，对EPROM写入数据，即将某位存入数据写入数据，即将某位存入数据0。擦除擦除EPROM中的数据中的数据 擦除过程就是在一定波长的紫外线环境擦除过程就是在一定波长的紫外线环境释放负电荷，重新回到出厂状态。释放负电荷，重新回到出厂状态。数据全部擦除，不能有选择的擦除。数据全部擦除，不能有选择的擦除。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器1.E2PROM中使用的中使用的Flotox管的工作特点管的工作特点浮栅浮栅Gf和漏区之间存在隧道区，可以形成隧道效应：和漏区之间存在隧道区，可以形成隧道效应：当隧道区的电场强度很大时（当隧道区的电场强度很大时（107V/cm），漏区），漏区和浮栅之间会出现导电隧道，电子可和浮栅之间会出现导电隧道，电子可双向流动双向流动。E2PROM器件器件存存储和擦除数据和擦除数据的的过程，就是利用隧道程，就是利用隧道效效应，使浮，使浮栅上上积累或消除累或消除负电荷负电荷来实现的。来实现的。二二.电可擦除的可编程电可擦除的可编程ROM（E2PROM）GcGfDS漏极漏极源极源极控制栅控制栅浮栅浮栅第第1010章章 半导体存储器半导体存储器2.2.E2PROM的工作原理的工作原理 读操作状态读操作状态 VT1的控制的控制栅级电平平+3V，字，字线电平平+5V（指定（指定该字）。字）。写写操作状态（写操作状态（写1）VT1的控制的控制栅级和字和字线上均加入上均加入+20V左右、持左右、持续时间约10ms的脉冲的脉冲电压，且位，且位线接接0V电平。平。擦除状态（写擦除状态（写0）浮浮栅上存上存储的的负电荷将通荷将通过隧道区放隧道区放电，d=0。VT1管无注入管无注入负电荷荷时，d=0；VT1管有注入管有注入负电荷荷时，d=1。发生隧道效生隧道效应，浮，浮栅上注入上注入负电荷，荷，d=1。VT1的控制的控制栅级接接0V电平，且平，且对应字字线、位、位线上均加入上均加入+20V左右、持左右、持续时间约10ms的脉冲的脉冲电压。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器1.快闪存储器中使用的叠栅快闪存储器中使用的叠栅MOS管的工作特点管的工作特点 快闪存储器中的叠栅快闪存储器中的叠栅MOS管，其结构类似于管，其结构类似于EPROM中的中的SIMOS管，均属于管，均属于N沟道增强型沟道增强型MOS管。管。注入负电荷（写入操作）的过程类似于注入负电荷（写入操作）的过程类似于EPROM。释放放负电荷（擦除操作）的荷（擦除操作）的过程程类似于似于E2PROM。三三.快闪存储器（闪存、快闪存储器（闪存、Flash Memory）GcGfDS漏极漏极源极源极控制栅控制栅浮栅浮栅第第1010章章 半导体存储器半导体存储器2.2.快闪存储器的工作原理快闪存储器的工作原理 读操作状态读操作状态 字字线电平平+5V（指定（指定该字），字），公共公共级VSS接接0电平。平。写写操作状态（写操作状态（写1）位位线接入接入6V左右正左右正电平，公共平，公共级VSS接接0电平，控制平，控制栅极极加入加入+12V左右、持左右、持续时间约10s的脉冲的脉冲电压。擦除状态（写擦除状态（写0）浮浮栅上存上存储的的负电荷将通荷将通过导电隧道放隧道放电，d=0。无注入无注入负电荷荷时，d=0；有注入有注入负电荷荷时，d=1。浮浮栅上注入上注入负电荷，荷，d=1。控制控制栅极接极接0电平，公共平，公共级VSS加入加入+12V左右、持左右、持续时间约100ms的脉冲的脉冲电压。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.3 10.3 随机存储器（随机存储器（RAM）随机存储器（随机存储器（RAM）也称为也称为随机读随机读/写存储器写存储器。RAM可读可写：可读可写：并且，根据输入地址的寻并且，根据输入地址的寻址结果，可专门针对址结果，可专门针对RAM存存储阵列中任何一个指定的存储储阵列中任何一个指定的存储单元，进行读操作和写操作。单元，进行读操作和写操作。RAM是是易失性存储器：易失性存储器：RAM的电源关闭时，其存的电源关闭时，其存储的所有数据都将丢失，因此，储的所有数据都将丢失，因此，其典型用途是其典型用途是短期存储数据短期存储数据。静态静态RAM（SRAM）动态动态RAM（DRAM）SRAM用用锁存器（触发锁存器（触发器）构成存储单元器）构成存储单元，结构较，结构较复杂，但读写速度快。复杂，但读写速度快。DRAM用用电容（电容（MOS管的栅管的栅极电容）构成存储单元极电容）构成存储单元，结构简，结构简单，集成度可以做得很高，但读单，集成度可以做得很高，但读写速度比写速度比SRAM慢很多。慢很多。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.3.1 10.3.1 静态静态RAM（SRAM）一一.基本基本 SRAMSRAM通常用来制作在计算机系统中使用的通常用来制作在计算机系统中使用的高速缓存高速缓存。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器二二.大规模大规模 SRAM两类两类SRAM的主要差异：的主要差异：存储矩阵的组织结构的不同；存储矩阵的组织结构的不同；译码寻址方式不同。译码寻址方式不同。两类两类SRAM的相同点：的相同点：存储单元的电路结构相同；存储单元的电路结构相同；读读/写控制和缓冲电路的结构、写控制和缓冲电路的结构、功能和控制信号含义相同。功能和控制信号含义相同。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器10.3.2 10.3.2 动态动态RAM（DRAM）DRAM存储阵列的组织结构与存储阵列的组织结构与SRAM类似；类似；但存储单元的具体电路不同。但存储单元的具体电路不同。DRAM采用采用MOS管实现存储单元管实现存储单元，利用了，利用了MOS管的栅管的栅极电容来存储信息，其结构极电容来存储信息，其结构比比SRAM简单简单得多，适合制作大得多，适合制作大容量、高集成度的随机存储器，因此，容量、高集成度的随机存储器，因此，DRAM的主要应用就的主要应用就是是用作计算机的主存储器（内存）用作计算机的主存储器（内存）。MOS管的栅极电容的容量很小，一般为几皮法，而漏电管的栅极电容的容量很小，一般为几皮法，而漏电流又不可能绝对等于零，所流又不可能绝对等于零，所存储电荷保存时间有限存储电荷保存时间有限，造成存，造成存储数据的丢失。为了解决这个问题，必须储数据的丢失。为了解决这个问题，必须定时给定时给MOS管的栅管的栅极电容补充电荷极电容补充电荷，这种操作通常称为，这种操作通常称为“刷新刷新”或或“再生再生”。第第1010章章 半导体存储器半导体存储器字扩展字扩展648b RAM 2568b RAM10.3.3 10.3.3 RAM的扩展的扩展第第1010章章 半导体存储器半导体存储器641b RAM 644b RAM位扩展位扩展