數(shù)字第7章半導(dǎo)體存儲器課件

第七章半導(dǎo)體存儲器第七章半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器是一種能存儲大量二值信息(或稱為二值的數(shù)據(jù))的半導(dǎo)體器件。在電子計(jì)算機(jī)以及其他一些數(shù)字系統(tǒng)的工作過程中，都需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。因此，存儲器也就成了這些數(shù)字系統(tǒng)不可缺少的組成部分。7.1概述由于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)量越來越大，運(yùn)算速度越來越快，這就要求存儲器具有更大的存儲容量和更快的存取速度。通常都把存儲量和存取速度作為衡量存儲器性能的重要指標(biāo)。目前動態(tài)存儲器的容量已達(dá)109位／片。一些高速隨機(jī)存儲器的存取時間僅10ns左右。豐富多彩的數(shù)據(jù)存儲器SIM卡數(shù)碼相機(jī)用的MS記憶棒使用FLASHMemory的電子盤（U盤）MP3播放器PC機(jī)主板內(nèi)存條半導(dǎo)體存儲器的種類很多，首先從存、取功能上可以分為只讀存儲器(Read-OnlyMemory，簡稱ROM)和隨機(jī)存儲器(RandomAccessMemory，簡稱RAM)兩大類。7.2只讀存儲器

ROM只讀存儲器在正常工作狀態(tài)下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速地隨時修改或重新寫入數(shù)據(jù)。ROM的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，而且在斷電以后數(shù)據(jù)不會丟失。它的缺點(diǎn)是只適用于存儲那些固定數(shù)據(jù)的場合。只讀存儲器中又有掩模ROM、可編程ROM(ProgrammableRead-OnlyMemory，簡稱PROM)和可擦除的可編程ROM(ErasableProgrammableRead—OnlyMemory，簡稱EPROM）幾種不同類型。00圖7.2.2二極管ROM的

電路結(jié)構(gòu)圖011011011001100存儲矩陣011010000110010二極管反偏不通接二極管的位置存儲1,不接存儲0存儲矩陣11010100接二極管的位置存儲1,不接存儲0存儲矩陣10110001接二極管的位置存儲1,不接存儲0譯碼矩陣001110001000譯碼矩陣01101100000114×4位存儲器數(shù)據(jù)表圖7.2.3用MOS管構(gòu)成的存儲矩陣100圖7.2.5PROM管的結(jié)構(gòu)原理圖7.2.3可擦除的可編程只讀存儲器一、EPROM(UVEPROM)由于可擦除的可編程ROM(EPROM)中存儲的數(shù)據(jù)可以擦除重寫，因而在需要經(jīng)常修改ROM中內(nèi)容的場合它便成為一種比較理想的器件。最早研究成功并投入使用的EPROM是用紫外線照射進(jìn)行擦除的；并被稱之為EPROM。因此，現(xiàn)在一提到EPROM就是指的這種用紫外線擦除的可編程ROM(Ultra-VioletErasableProgrammableRead-OnlyMemory，簡稱；UVEPROM)。不久又出現(xiàn)了用電信號可擦除的可編程ROM(ElectricallyErasableProgrammableRead—OnlyMemory，簡稱E2PROM)。后來又研制成功的快閃存儲器(FlashMemory)也是一種用電信號擦除的可編程ROM。一、EPROM(UVPROM)EPROM與前面已經(jīng)講過的PROM在總體結(jié)構(gòu)形式上沒有多大區(qū)別，只是采用了不同的存儲單元。早期EPROM的存儲單元中使用了浮柵雪崩注入MOS管(Floating-gateAvalanche-InjuctionMetal-Oxide-Semiconductor，簡稱FAMOS管)，它的結(jié)構(gòu)示意圖和符號如圖7.2.6所示。

圖7.2.6FAMOS管的結(jié)構(gòu)和符號FAMOS管本身是一個P溝道增強(qiáng)型的MOS管，但柵極“浮置”于SiO2層內(nèi)，與其他部分均不相連，處于完全絕緣的狀態(tài)。如果在它的漏極和源極之間加上比正常工作電壓高得多的負(fù)電壓(通常為－45V左右)，則可使漏極與襯底之間的PN結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，耗盡區(qū)里的電子在強(qiáng)電場作用下以很高的速度從漏極的P+區(qū)向外射出，其中速度最快的一部分電子穿過SiO2層而到達(dá)浮置柵，被浮置柵俘獲而形成柵極存儲電荷。這個過程就叫做雪崩注入。漏極和源極間的高電壓去掉以后，由于注入到柵極上半導(dǎo)體存儲器的電荷沒有放電通路，所以能長久保存下來。在+125℃的環(huán)境溫度下，70％以上的電荷能保存10年以上。在柵極獲得足夠的電荷以后，漏—源間便形成導(dǎo)電溝道，使FAMOS管導(dǎo)通。如果用紫外線或X射線照射FAMOS管的柵極氧化層，則SiO2層中將產(chǎn)生電子—空穴對，為浮置柵上的電荷提供泄放通道，使之放電。待柵極上的電荷消失以后，導(dǎo)電溝道也隨之消失，F(xiàn)AMOS管恢復(fù)為截止?fàn)顟B(tài)。這個過程稱為擦除。擦除時間約需20～30分鐘。為便于擦除操作，在器件外殼上裝有透明的石英蓋板。在寫好數(shù)據(jù)以后應(yīng)使用不透明的膠帶將石英蓋板遮蔽，以防止數(shù)據(jù)丟失。圖7.2.7使用FAMOS管的存儲單元圖7.2.8SIMOS管的結(jié)構(gòu)和符號返回圖7.2.9使用SIMOS管的2561位EPROM返回圖7.2.10Flotox管的結(jié)構(gòu)和符號返回圖7.2.11E2PROM的存儲單元返回圖7.2.12E2PROM存儲單元的三種工作狀態(tài)（a）讀出狀態(tài)（b）擦除（寫1）狀態(tài)（c）寫入（寫0）狀態(tài)返回圖7.2.13快閃存儲器中的疊柵MOS管返回圖7.2.14快閃存儲器的存儲單元返回7.3隨機(jī)存儲器（RAM）圖7.3.1SRAM的結(jié)構(gòu)框圖圖7.3.21024x4位RAM（2114）的結(jié)構(gòu)框圖圖7.3.3六管NMOS靜態(tài)存儲單元圖7.3.4六管CMOS靜態(tài)存儲單元圖7.3.5雙極型RAM的靜態(tài)存儲單元圖7.3.6四管動態(tài)MOS存儲單元圖7.3.7三管動態(tài)MOS存儲單元圖7.3.8單管動態(tài)MOS存儲單元圖7.3.9DRAM中的靈敏恢復(fù)/讀出放大器圖7.3.10靈敏恢復(fù)/讀出放大器的讀出過程（a）讀出0的情況（b）讀出1的情況圖7.3.11DRAM的總體結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.3.1SRAM的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.3.210244位RAM（2114）的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.3.3六管NMOS靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.4六管CMOS靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.5雙極型RAM的靜態(tài)存儲單元返回圖7.3.6四管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.7三管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.8單管動態(tài)MOS存儲單元返回圖7.3.9DRAM中的靈敏恢復(fù)/讀出放大器返回圖7.3.10靈敏恢復(fù)/讀出放大器的讀出過程

（a）讀出0的情況（b）讀出1的情況返回圖7.3.11DRAM的總體結(jié)構(gòu)框圖返回7.4存儲器容量的擴(kuò)展圖7.4.1RAM的位擴(kuò)展接法圖7.4.2RAM的字?jǐn)U展接法返回圖7.4.1RAM的位擴(kuò)展接法返回圖7.4.2RAM的字?jǐn)U展接法返回7.5用存儲器實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)圖7.5.1例7.5.1的電路圖7.5.2例7.5.2的ROM點(diǎn)陣圖返回圖7.5.1例7.5.1的電路返回圖7.5.2例7.5.2的ROM點(diǎn)陣圖返回7.6串行存儲器圖7.6.1用靜態(tài)移位寄存器組成的串行存儲器圖7.6.2后進(jìn)先出型串行存儲器的結(jié)構(gòu)框圖圖7.6.3串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)先出型串行存儲器圖7.6.4有比型動態(tài)MOS反相器圖7.6.5兩相有比型動態(tài)MOS移位寄存單元（a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形圖7.6.6無比型動態(tài)MOS反相器圖7.6.7兩相無比型動態(tài)MOS移位寄存單元（a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形圖7.6.8改進(jìn)的兩相無比型動態(tài)MOS移位寄存單元（a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形圖7.6.9動態(tài)CMOS移位寄存單元（a）電路結(jié)構(gòu)（b）工作波形返回圖7.6.1用靜態(tài)移位寄存器組成的串行存儲器返回圖7.6.2后進(jìn)先出型串行存儲器的結(jié)構(gòu)框圖返回圖7.6.3串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)先出型串行存儲器返回圖7.6.4有比型動態(tài)MOS反相器返回圖7.6.5兩相有比型動態(tài)MOS移