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第6章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

6.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類

6.2隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM

6.4可編程只讀存儲(chǔ)器

6.3掩模只讀存儲(chǔ)器MROM

用半導(dǎo)體材料制成的大規(guī)模集成電路，基本功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用于數(shù)字系統(tǒng)中需要臨時(shí)或永久性保存數(shù)據(jù)的場合。

6.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類

按功能分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器靜態(tài)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（SRAM）動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（DRAM）只讀存儲(chǔ)器掩模只讀存儲(chǔ)器（MROM）一次性可編程只讀存儲(chǔ)器（OTP）紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（E2PROM）閃爍存儲(chǔ)器（FLASHE2PROM）RAM:

隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory）數(shù)據(jù)可以隨時(shí)存入(寫)或取出(讀)。斷電數(shù)據(jù)會(huì)丟失。ROM:

只讀存儲(chǔ)器（ReadOnlyMemory）存放固定數(shù)據(jù)，事先寫入，工作中可隨時(shí)讀取。斷電數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。MROM：掩模只讀存儲(chǔ)器

（MaskedROM）制造時(shí)固化數(shù)據(jù)，工作中只讀，得不改寫，適用于大批量產(chǎn)品。OTP：一次性可編程只讀存儲(chǔ)器（OneTimeProgrammbleROM）使用前，用戶一次性寫入數(shù)據(jù)，不得改寫。適用于小批量產(chǎn)品。EPROM：紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（ErasablePROM）數(shù)據(jù)寫入后，可用紫外線照射擦除

。擦除后可重寫。

E2PROM：電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（ElectricallyErasablePROM）。數(shù)據(jù)寫入后，可施加電信號(hào)將數(shù)據(jù)擦除，并寫入新數(shù)據(jù)

，可反復(fù)擦寫上百次，適用于開發(fā)階段或小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)?？稍诰€讀寫。FLASHE2PROM：閃爍存儲(chǔ)器。具有E2PROM的擦寫特點(diǎn)，擦除速度快得多，擦寫次數(shù)達(dá)上千次。

雙極型存儲(chǔ)器：工作速度快，但功耗大、集成度不高；MOS型存儲(chǔ)器：制作工藝簡單，集成度高，功耗耗，容量大，成本低。工作速度得到極大地提高，得到廣泛應(yīng)用。

6.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類

按制造工藝分類：6.2隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM

6.2.1SRAM

注意：讀出是無破壞性的，即，讀操作不會(huì)使數(shù)據(jù)發(fā)生改變。寫入會(huì)改變原來存放的數(shù)據(jù)。即，不管原來存放的數(shù)據(jù)是什么，寫操作后一定是新寫入的數(shù)據(jù)。MOS六管存儲(chǔ)單元T1~T4構(gòu)成基本RS觸發(fā)器。讀取數(shù)據(jù)：使X、Y有效，T5~T8開通，觸發(fā)器的兩個(gè)互補(bǔ)輸出端分別向D、

端傳出數(shù)據(jù)；寫入數(shù)據(jù)：先將待寫入的數(shù)據(jù)送到D、端上，再使X、Y有效，T5~T8開通，外來數(shù)據(jù)強(qiáng)行使觸發(fā)器置位或復(fù)位。MOS六管存儲(chǔ)單元

SRAM存儲(chǔ)器例：4×4存儲(chǔ)單元方陣構(gòu)成的存儲(chǔ)器，能存放16個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位：A0~A3：地址，對某一存儲(chǔ)單元進(jìn)行選擇。其中：

A1A0：由X選擇譯碼電路譯為4路輸出，用作行選擇；

A3A2：由Y選擇譯碼電路譯為4路輸出，用作列選擇。

只有行和列同時(shí)選中的存儲(chǔ)單元才能通過D、端進(jìn)行訪問。

4×4存儲(chǔ)矩陣讀寫控制電路，見下圖。

I/O：數(shù)據(jù)輸入/輸出端。：器件選擇信號(hào)。若，G1、G2、G3呈高阻態(tài)，讀寫操作被禁止；若，G1、G2、G3開通，讀寫操作可進(jìn)行，此時(shí)：

若，G3開通，數(shù)據(jù)D從I/O

輸出；若，G1、G2開通，數(shù)據(jù)由I/O

送到D、端。讀寫控制電路集成SRAM

6116寫入控制端片選端輸出使能端A0～A10：地址碼輸入端，D0～D7：數(shù)碼輸出端。集成SRAM6116

（2kB×8位)介紹：

D7~D0：數(shù)據(jù)輸入/輸出端，以字節(jié)為單位進(jìn)行讀寫。

A10~A0：11位地址輸入端，存儲(chǔ)容量為2048字節(jié)（2KB）。：片選端。為0，允許讀寫。為1：備用（此時(shí)功耗極微，且數(shù)據(jù)不會(huì)丟失）。：讀脈沖端。為0：讀當(dāng)前地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)。為1：D7~D0端呈高阻態(tài)。：寫脈沖端。先將待寫入的8位數(shù)據(jù)送到D7~D0端，再令其為0，數(shù)據(jù)即被寫入到當(dāng)前地址對應(yīng)的存儲(chǔ)單元。集成SRAM6116RAM容量的擴(kuò)展（位擴(kuò)展）位擴(kuò)展將地址線、讀／寫線和片選線對應(yīng)地并聯(lián)在一起輸入／輸出（I/O）分開使用作為字的各個(gè)位線字?jǐn)U展輸入／輸出（I/O）線并聯(lián)要增加的地址線A10～A12與譯碼器的輸入相連，譯碼器的輸出分別接至8片RAM的片選控制端RAM容量的擴(kuò)展（字?jǐn)U展）6.2.2DRAMCs、T：存儲(chǔ)元件：

Cs：充滿電荷時(shí)表示存儲(chǔ)1，無電荷時(shí)表示存儲(chǔ)0。T：門控管，工作在開關(guān)狀態(tài)。Co：雜散分布電容，Cs、Co的容量都很小。

單管DRAM存儲(chǔ)單元6.2.2DRAM工作原理：（1）寫入數(shù)據(jù)：待寫數(shù)據(jù)位加在數(shù)據(jù)線上

Co充放電

字線加高電使T導(dǎo)通

Cs充放電

撤消字線上的高電平使T截止

Cs上的電荷狀態(tài)被保持。（2）讀取數(shù)據(jù)：使數(shù)據(jù)線置于中間電位

Co充放電

使數(shù)據(jù)線處于高阻抗

字線加高電使T導(dǎo)通

Co和Cs上的電荷重新分配達(dá)到平衡。若——平衡后的電位高于中間電位，則原來存入的數(shù)據(jù)為1；平衡后的電位低于中間電位，則原來存入的數(shù)據(jù)為0。注意：讀取數(shù)據(jù)時(shí)Cs上的電荷發(fā)生了改變，原來存入的數(shù)據(jù)被破壞應(yīng)立即將讀得的數(shù)據(jù)重新寫入。6.2.2DRAM(續(xù)）工作原理：（3）刷新:

刷新：由于漏電，應(yīng)周期性地給Cs補(bǔ)充電荷，使存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不丟失。刷新操作：執(zhí)行一次讀操作，但并不使用讀得的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)單元為陣列排列時(shí)，以行為單位進(jìn)行刷新，周期約為幾毫秒6.3掩模只讀存儲(chǔ)器（MROM）

4×4陣列MOSMROM的電路結(jié)構(gòu)見右圖。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存儲(chǔ)0：有MOS管；存儲(chǔ)1：無MOS管。行選擇譯碼對A1A0譯碼，選擇某一行。數(shù)據(jù)讀出由A1A0選擇要讀出的行；令=0；一次性讀出4位數(shù)據(jù)。X0＝0110X1＝1011X2＝0101X3＝10106.4可編程只讀存儲(chǔ)器

6.4.1一次性編程只讀存儲(chǔ)器OTP

熔絲型OTP的存儲(chǔ)單元如圖構(gòu)成：T：晶體三極管；F：熔絲工作原理：出廠時(shí)，F(xiàn)未熔斷，讀取的數(shù)據(jù)全為1；數(shù)據(jù)寫入：在VDD上施加較高的編程電壓——若寫入0，則T導(dǎo)通，過載電流使熔絲熔斷；若寫入1，則T截止，熔絲不會(huì)熔斷。數(shù)據(jù)讀出：行線置高電平——若熔絲斷，則數(shù)據(jù)線輸出0；若熔絲未斷，則數(shù)據(jù)線輸出1。6.4.2紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM

EPROM的存儲(chǔ)單元如圖構(gòu)成

T1：選通MOS管，行線上為高電平時(shí)導(dǎo)通；T2：浮柵MOS管，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。6.4.2紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM

浮柵MOS管的原理出廠時(shí)：浮柵上沒有電荷，浮柵下面不會(huì)形成導(dǎo)電溝道，源極S和漏極D斷開。出廠時(shí)各存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都為1。用戶寫入數(shù)據(jù)：在D上加一個(gè)較高的編程電壓

漏區(qū)的p-n結(jié)發(fā)生雪崩擊穿

熱電子穿過薄SiO2層注入浮柵

浮柵帶電

編程電壓撤除

p-n結(jié)恢復(fù)正常

浮柵上帶的電荷保持

D、S之間形成導(dǎo)電溝道。用戶擦除數(shù)據(jù):用紫外線照射浮柵

浮柵上的電子獲得較高的能量穿過SiO2層

浮柵不再帶電

各存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都恢復(fù)為1。6.4.3電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM

擦除方式：電信號(hào)，可在線擦除。能以字節(jié)為單位進(jìn)行。存儲(chǔ)單元：增加控制柵的浮柵MOS管，如圖?？刂茤沤拥卦赟上加較高的正電壓，在控制柵和S之間產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的電場。浮柵上的電荷越過SiO2層進(jìn)入S，從而達(dá)到擦除目的。編程操作：與EPROM相同。數(shù)據(jù)不丟失時(shí)間：100年。6.4.4閃爍存儲(chǔ)器FLASHE2PROM在E2PROM的基礎(chǔ)上，將浮柵的SiO2絕緣層做得很薄，因而擦寫速度比E2PROM塊得多。由于制造工藝的改進(jìn)，F(xiàn)LASHE2PROM的集成度很高、功耗很低，以被廣泛地用作便攜式智能設(shè)備的存儲(chǔ)設(shè)備。

6.4.5只讀存儲(chǔ)器應(yīng)用舉例

例：八段LED數(shù)碼管顯示譯碼器。

工作原理：

EPROM2716：紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。VPP為編程電壓引腳，僅在編程時(shí)使用，正常工作時(shí)接固定高電平。其余各引腳的功能與SRAM6116相同。、：接固定低電平，芯片總處于選中、數(shù)據(jù)線D7~D0總處于輸出狀態(tài)。

字形顯示方式：將各種字形對應(yīng)的段碼寫入2716，需要顯示某字形時(shí)，就輸入對應(yīng)的地址，讓該地址對應(yīng)的存儲(chǔ)內(nèi)容輸出。段碼表制作：例如：字符“A”，將01010作為地址，在此地址對應(yīng)的存儲(chǔ)字節(jié)處寫入段碼：

11101110，見下圖。

字符“A.”將11010作為地址，在此地址對應(yīng)的存儲(chǔ)字節(jié)處寫入段碼：

11101111，見下圖。字符“A”abcdefgh=11101110字符“A.”abcdefgh=11101111例：用EPROM2716實(shí)現(xiàn)按作息時(shí)間控制打鈴。

CLK:時(shí)鐘脈沖，周期為1分鐘11位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器:每隔1分鐘加1，其計(jì)數(shù)輸出Q10~Q0作為2716的讀數(shù)地址。每隔1分鐘2716的8位輸出數(shù)據(jù)