第7章半導(dǎo)體存儲器

1、第7章半導(dǎo)體存儲器7.1 概述概述1. 1. 存儲器存儲器n定義：存儲大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）定義：存儲大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。的半導(dǎo)體器件。n用途：在計算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)用途：在計算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù) 。n與寄存器的區(qū)別：以字為單位存取，每字包與寄存器的區(qū)別：以字為單位存取，每字包含若干位。各個字的相同位通過同一引腳與外含若干位。各個字的相同位通過同一引腳與外界聯(lián)系。每個字分配一個地址，因此內(nèi)部有地界聯(lián)系。每個字分配一個地址，因此內(nèi)部有地址譯碼器。址譯碼器。7.1 概述概述隨機(jī)存儲器隨機(jī)存儲器RAM （Random Access Memory）按按功功能能

2、只讀存儲器只讀存儲器ROM（Read- Only Memory）只能讀出不能只能讀出不能寫入寫入,斷電不失斷電不失n 分類：分類：掩模掩模ROM可編程可編程ROM（PROM）(Programmable ROM)(Erasable PROM)ROM可擦除可編程可擦除可編程ROM（EPROM）UVEPROMEEPROMFlash Memory電可擦除電可擦除(Electrically)紫外線擦除紫外線擦除(Ultra-Violet)快閃存儲器快閃存儲器靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器SRAM (Static RAM)動態(tài)存儲器動態(tài)存儲器DRAM (Dynamic RAM)還可以按制造工藝分為雙極型和還可以按制

3、造工藝分為雙極型和MOS型兩種。型兩種。 主要指標(biāo)：主要指標(biāo)：存儲容量、存取速度。存儲容量、存取速度。 存儲容量存儲容量: 用字?jǐn)?shù)用字?jǐn)?shù)位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某動態(tài)存儲器的容量為某動態(tài)存儲器的容量為109位位/片。片。7.1 概述概述RAM 存取速度：用完成一次存取所需的時間表示。高速存儲存取速度：用完成一次存取所需的時間表示。高速存儲器的存取時間僅有器的存取時間僅有10ns左右。左右。NoImage一、掩模只讀存儲器一、掩模只讀存儲器 又稱為固定又稱為固定ROM。工廠按用戶要求生產(chǎn)出來后，用戶不。工廠按用戶要求生產(chǎn)出來后，用戶不能改動。能改動。1.

4、ROM的構(gòu)成的構(gòu)成7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM存儲矩陣：由若干存儲單元排列成矩陣形式。存儲矩陣：由若干存儲單元排列成矩陣形式。儲存單元：可由二極管、雙極性三極管或儲存單元：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：根據(jù)地址輸入，在存儲矩陣中選出指定的地址譯碼器：根據(jù)地址輸入，在存儲矩陣中選出指定的字對應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。字對應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。輸出緩沖器：增加帶負(fù)載能力；同時提供三態(tài)控制，以輸出緩沖器：增加帶負(fù)載能力；同時提供三態(tài)控制，以便和系統(tǒng)的總線相連。便和系統(tǒng)的總線相連。7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM1

5、. 工作原理工作原理NoImage二四線二四線譯碼器譯碼器A1,A0的四的四個最小項個最小項字線字線位線位線 以以2位地址輸入和位地址輸入和4為數(shù)據(jù)輸出的為數(shù)據(jù)輸出的ROM為為例，其存儲矩陣是四例，其存儲矩陣是四組二極管或門：組二極管或門：當(dāng)當(dāng)EN=0時時，iiDDD1= D3 = A0D0 = W1+ W0 = A1D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0D2= W1= A1+A0地址與存儲數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系表地址與存儲數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系表7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM地地 址址數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)A1 A0D3 D2 D1 D00 00 11 01 10 1 0 11 0 1 10 1 0 01

6、1 1 07.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMNoImage 用用MOS工藝制造的工藝制造的ROM的存儲矩陣如圖所示：的存儲矩陣如圖所示：二、可編程只讀存儲器二、可編程只讀存儲器PROM 產(chǎn)品出廠時存的全是產(chǎn)品出廠時存的全是1，用，用戶可一次性寫入，即把某些戶可一次性寫入，即把某些1改為改為0。但不能多次擦除。但不能多次擦除。 存儲單元多采用熔絲低存儲單元多采用熔絲低熔點金屬或多晶硅。寫入時設(shè)熔點金屬或多晶硅。寫入時設(shè)法在熔絲上通入較大的電流將法在熔絲上通入較大的電流將熔絲燒斷。熔絲燒斷。編程時編程時VCC和和字線電壓提高字線電壓提高7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMNoImage16字字8位的

7、位的PROM十六條字線十六條字線八八條條位位線線 讀出時，讀出放讀出時，讀出放大器大器AR工作，寫入放工作，寫入放大器大器AW不工作。不工作。 寫入時，在位線寫入時，在位線輸入編程脈沖使寫入輸入編程脈沖使寫入放大器工作，且輸出放大器工作，且輸出低電平，同時相應(yīng)的低電平，同時相應(yīng)的字線和字線和VCC提高到編提高到編程電平，將對應(yīng)的熔程電平，將對應(yīng)的熔絲燒斷。絲燒斷。缺點：不能重復(fù)擦除。缺點：不能重復(fù)擦除。7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM三、可擦除的可編程只讀存儲器（三、可擦除的可編程只讀存儲器（EPROM）（一）紫外線擦除的只讀存儲器（一）紫外線擦除的只讀存儲

8、器（UVEPROM）最早出現(xiàn)的最早出現(xiàn)的EPROM。通常說的。通常說的EPROM就是指這種。就是指這種。 1. 使用使用FAMOS管（管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，浮柵雪崩注入，浮柵雪崩注入MOS管）管） 寫入：管子原來不導(dǎo)寫入：管子原來不導(dǎo)通。在漏源之間加上較通。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，部結(jié)雪崩擊穿，部分高速電子積累在浮柵分高速電子積累在浮柵上，使上，使MOS管導(dǎo)通。管導(dǎo)通。7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM 擦除：用紫外線或擦除：用紫外線或X射線擦射線擦除。需除。需2030分鐘。分鐘。

9、 缺點：需要兩個缺點：需要兩個MOS管；管；編程電壓偏高；編程電壓偏高；P溝道管的溝道管的開關(guān)速度低。開關(guān)速度低。 浮柵上電荷可長期保存浮柵上電荷可長期保存在在125環(huán)境溫度下，環(huán)境溫度下，70%的電荷能保存的電荷能保存10年以上。年以上。存儲單元圖存儲單元圖 用用N溝道管；增加溝道管；增加控制柵?？刂茤?。 SIMOS管原來可管原來可導(dǎo)通，開啟電壓約為導(dǎo)通，開啟電壓約為2V。 注入電荷：在注入電荷：在DS間加高電壓，同時在控制柵加間加高電壓，同時在控制柵加25V、50mS寬的脈沖。由于控制柵上有電壓，所以需要的漏源寬的脈沖。由于控制柵上有電壓，所以需要的漏源電壓相對較小。注入電荷后其開啟電壓達(dá)

10、電壓相對較小。注入電荷后其開啟電壓達(dá)7V，不能正常導(dǎo)，不能正常導(dǎo)通。通。 2. 使用管使用管SIMOS(Stacked-gate Injuction MOS，疊柵，疊柵注入注入MOS管管)7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMNoImage 這是一種雙這是一種雙譯碼方式，行譯碼方式，行地址譯碼器和地址譯碼器和列地址譯碼器列地址譯碼器共同選中一個共同選中一個單元。每個字單元。每個字只有一位。只有一位。7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM（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，速度很慢。必須尋找新的存用紫外線擦除操作復(fù)雜，速度很慢。必須尋找新的存儲器件

11、，使得可以用電信號進(jìn)行擦除。儲器件，使得可以用電信號進(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)7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROMNoImageGCGf漏極漏極寫入（寫寫入（寫0）擦除（寫擦除（寫1）讀出讀出 特點：浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極?。ㄌ攸c：浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極?。?0納米以下），納米以下），稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場大于稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場大于107V/cm時隧道區(qū)雙向?qū)r隧道區(qū)雙向?qū)?。通?當(dāng)隧道區(qū)的等效電容極小時，加在控制柵和漏極間的當(dāng)隧道區(qū)的等效電容極小時，加在控制柵和漏極間的電壓大部分降

12、在隧道區(qū)，有利于隧道區(qū)導(dǎo)通。電壓大部分降在隧道區(qū)，有利于隧道區(qū)導(dǎo)通。存儲單元：存儲單元：擦除和寫入均擦除和寫入均利用隧道效應(yīng)利用隧道效應(yīng)10ms7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM EEPROM的缺點：擦寫需要高電壓脈沖；擦寫時間的缺點：擦寫需要高電壓脈沖；擦寫時間長；存儲單元需兩只長；存儲單元需兩只MOS管。管。（三）快閃存儲器（三）快閃存儲器(Flash Memory)采用新型隧道氧化層采用新型隧道氧化層MOS管。管。 隧道層在源區(qū)；隧道層在源區(qū)； 隧道層更薄隧道層更薄(1015nm)。在控制柵和。在控制柵和源極間加源極間加12V電壓即電壓即可使隧道導(dǎo)通?？?/p>

13、使隧道導(dǎo)通。 特點：特點：7.2 只讀存儲器只讀存儲器ROM 存儲單元的工作原理：存儲單元的工作原理： （1）寫入利用雪崩注入法。）寫入利用雪崩注入法。源極接地；漏極接源極接地；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)?？刂疲┎脸盟淼佬?yīng)?？刂茤沤拥?；源極接?xùn)沤拥兀辉礃O接12V脈沖，寬為脈沖，寬為100ms。因為片內(nèi)所有疊柵管的。因為片內(nèi)所有疊柵管的源極都連在一起，所以一個脈源極都連在一起，所以一個脈沖就可擦除全部單元。沖就可擦除全部單元。 （3）讀出：源極接地，字線為）讀出：源極接地，字線為5V邏輯高電平。邏輯高電平。 快閃存儲器特點：快閃存儲器特點

14、：集成度高，容量大，成本低，使用集成度高，容量大，成本低，使用方便。已有方便。已有64兆位產(chǎn)品問世。很有發(fā)展前途。兆位產(chǎn)品問世。很有發(fā)展前途。NoImage7.3 隨機(jī)存儲器（隨機(jī)存儲器（RAM）一、靜態(tài)隨機(jī)存儲器一、靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM 特點：特點：RAM在工作時可隨時對任意指定單元進(jìn)行讀或在工作時可隨時對任意指定單元進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。使用方便、靈活。但切斷電源后，所存信息就會寫操作。使用方便、靈活。但切斷電源后，所存信息就會丟失。分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器丟失。分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM和動態(tài)隨機(jī)存儲器和動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM兩種，也可稱為讀寫存儲器。兩種，也可稱為讀寫存儲器。（一）（一）RAM的

15、結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1. 存儲矩陣存儲矩陣2. 地址譯碼：雙譯碼。地址譯碼：雙譯碼。3. 讀寫控制電路：讀寫控制電路： 片選信號片選信號CS：控制：控制I/O端是端是否處在高阻狀態(tài)。否處在高阻狀態(tài)。 讀寫控制信號讀寫控制信號R/ W：控制電：控制電路處于讀出還是寫入狀態(tài)。路處于讀出還是寫入狀態(tài)。NoImage1024字字4位（位（2114）SRAM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)NoImage（二）靜態(tài)（二）靜態(tài)RAM的存儲單元的存儲單元1.六管六管NMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元7.3 隨機(jī)存儲器（隨機(jī)存儲器（RAM）2.六管六管CMOS靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元3.雙極型靜態(tài)存儲單元雙極型靜態(tài)存儲單元7.3 隨機(jī)存儲器（隨機(jī)

16、存儲器（RAM）7.3 隨機(jī)存儲器（隨機(jī)存儲器（RAM）NoImage（三）動態(tài)（三）動態(tài)RAM的存儲單元的存儲單元 利用利用MOS管柵極電容管柵極電容可以暫存電荷的原理制成?？梢詴捍骐姾傻脑碇瞥?。因此，存儲單元簡單，存因此，存儲單元簡單，存儲容量大。但柵極電容很儲容量大。但柵極電容很小，由于漏電的影響，電小，由于漏電的影響，電容電荷保存時間很短。必容電荷保存時間很短。必須定時給電容充電刷新、須定時給電容充電刷新、再生。這就需要外圍電路再生。這就需要外圍電路配合。配合。7.4 存儲器容量的擴(kuò)展存儲器容量的擴(kuò)展一、位擴(kuò)展方式一、位擴(kuò)展方式N=目標(biāo)存儲器容量目標(biāo)存儲器容量已有存儲器容量已有存儲器容量需要片數(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位位RAM.NoImage 方法：方法：所有輸入信號都并聯(lián)（地址信號、片選信號和所有輸入信號都并聯(lián)（地址信號、片選信號和讀寫信號）。輸出并列。讀寫信號）。輸出并列。7.4 存儲器容量的擴(kuò)展存儲器容量的擴(kuò)展二、字?jǐn)U展方式二、字?jǐn)U展方式N=目標(biāo)存儲器容量目標(biāo)存儲器容量已有存儲