數(shù)字電路08第七章半導體存儲器

第七章半導體存儲器7.1概述半導體存儲器是固態(tài)存儲器SSD(SolidStateDrives)

，具有存儲密度高，體積小，容量大，讀寫速度快，功耗低等優(yōu)點!分類：掩模ROM可編程ROM(PROM--ProgrammableROM)可擦除可編程ROM(EPROM--ErasablePROM)隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)靜態(tài)存儲器SRAM(StaticRAM)

主要用于高速緩存和服務器內(nèi)存動態(tài)存儲器DRAM(DynamicRAM)按功能特點EEPROM(ElectricallyEPROM)/E2PROM只讀存儲器ROM(Read-OnlyMemory)FlashMemory(快閃存儲器，如U盤)FRAM(Ferro-electricRAM鐵電存儲器)SDRAM,DDR-RAM等非揮發(fā)存儲器（Non-VolatileMemory--NVM）揮發(fā)存儲器（VolatileMemory--VM）或者稱易失存儲器1.ROM的構成主要指標：存儲容量、存取速度。存儲容量：用字數(shù)×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109位/片。7.2.1掩模只讀存儲器7.2只讀存儲器ROM存儲單位:字2.

工作原理ROM是組合邏輯電路d3=W1+W3=A’1A0+A1A03.看待ROM（存儲器）的三個不同的角度組合邏輯查找表(Look-uptable)譯碼－編碼的過程地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110真值表輸入變量輸出變量A0~An-1W0W(2n-1)D0Dm地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D00001010110111001001111104.數(shù)據(jù)與存儲矩陣對應關系存儲器的容量:字數(shù)x位數(shù)存儲矩陣的每個交叉點是一個“存儲單元”，存儲單元中有器件存入“1”，無器件存入“0”編程時VCC和字線電壓提高寫入時，要使用編程器7.2.2可編程只讀存儲器PROM7.2.3可擦除可編程只讀存儲器一、EPROM(UVEPROM-UltraViolet)SIMOS:Stacked-gateInjectionMOS;疊柵注入MOS浮置柵極為氮化物是可以存儲電荷的電荷勢阱行列地址譯碼器5V5VGND導通狀態(tài):浮柵上沒有電荷時,加控制柵電壓VT(5V)時,導通,存”0”截止狀態(tài):浮柵上帶有負電荷時,使得MOS管的開啟電壓變高,加控制柵電壓VT時,截止,存”1”iDVT1VT2vGS浮柵無電子浮柵有電子O存儲電荷前存儲電荷后浮柵MOS管電流傳輸特性2.存儲原理5V5VGNDVT1<VT<VT2(1)擦除用紫外線或X射線，距管子2厘米處照射15~20分鐘；陽光下1周，熒光燈下3年。3.編程原理：先擦除，再寫入(編程)25V25VGND(2)寫入1.源漏極加高壓(+20V~+25V),發(fā)生雪崩擊穿2.在控制柵極Gc上加高壓(+25V,50ms)吸引高速電子穿過SiO2到達浮柵，這個過程稱為Hotcarrierinjection書上稱為雪崩注入

見備注二、EEPROM/E2PROM浮柵隧道氧化層MOSFlotoxMOS:FloatinggateTunnelOxideMOS存儲原理：Gf存電荷前,正?？刂茤艠O電壓3V下,T1導通,存0Gf存電荷后,正?？刂茤艠O電壓3V下,T1截止,存1T2為了提高擦、寫的可靠性T1為實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的存儲管EEPROM的編程過程：先擦除，再編程！(1)擦除就是給浮柵的充電，相當于寫“1”(2)寫入就是將需要寫“0”的單元的柵極放電寫1(擦除/充電):Wi和Gc加20V、10ms的正脈沖Bj接0，電子通過隧道區(qū)從漏極進入浮置柵極Gf寫0(寫入/放電):Gc接0，Wi和Bj加20V10ms的正脈沖,電子通過隧道區(qū)從浮置柵極Gf向漏極釋放區(qū)別于EPROM的hot-electroninjection這種稱為tunnelinjection

書上稱為隧道效應或稱隧道注入有興趣可以參考http:///flash+memory三、快閃存儲器FlashMemory按結構又分為NORFlash和NANDFlash?；締卧獮镾IMOS--疊柵注入MOS，特點是浮柵Gf與襯底間SiO2更薄10~15nm(相比EPROM的30~40nm,E2PROM的20nm)，Gf與源極S有極小的重疊區(qū)，即隧道區(qū)。下面主要指的是NORFlash。存儲單元相對于EEPROM，只需要一個MOS管，結構簡單，集成度高，成本低。因為MOS管的源極是連在一起的，所以擦除時按固定大小的存儲容量(典型為128-512kbits)整體擦除，所以叫FlashMemory，用來形容擦除速度快。擦除（寫0）類似E2PROM，基于隧道效應寫入（寫1）類似EPROM，為雪崩注入和E2PROM相比，需要電壓明顯減小，這源于更薄的SiO2絕緣層。FlashROM具有在系統(tǒng)可編程(ISP,In-SystemProgrammability)的能力。在許多場合，F(xiàn)lashROM也被直接稱為E2PROM.NORFlash的擦除和寫入（編程）NANDFlash的擦除和編程都基于隧道效應NANDFlash的擦除和寫入（編程）NORFlash同一位線上的單元是并聯(lián)的關系，邏輯上為或非邏輯NOR指的就是或非邏輯的意思NANDFlash同一位線上的單元是串聯(lián)的關系，邏輯上為與非邏輯NAND指的就是與非邏輯的意思NORFlash結構NANDFlash結構NORFlash和NANDFlash的比較:1.擦除和寫入方式相同：按塊擦除和寫入；2.存儲單元的連接方式不同，或非和與非；3.讀出方式不同:NOR是線性編址，可以按字節(jié)隨機訪問；而NAND是分了塊頁字節(jié)三個地址尋址，只能按塊讀取。顯然NOR接口簡單,存取單位為字節(jié),可以隨機訪問;而且具有XIP的功能（eXecuteInPlace，本地執(zhí)行），常用來存放程序代碼；4.NOR壽命短（10萬次），NAND（100萬次）；因為XOR的擦除基于隧道注入，而寫入基于雪崩注入，它們是不對稱操作，加速了存儲單元老化的速度。5.NOR寫入和擦除速度慢,存儲密度低,成本高；NAND相反,所以現(xiàn)在的U盤等便攜存儲用的是NANDFlash。雖然，ROM可讀也可寫，但寫入速度慢，另外寫入或擦除操作是有損操作，SIO2絕緣層很薄，隨著寫操作次數(shù)增加，也在不斷損耗，一旦絕緣層徹底擊穿，將不能再編程。所以可寫ROM的編程次數(shù)都是有限的，典型次數(shù)為100萬次(NANDFlash)。U盤往往內(nèi)部包括了微處理器（右側(cè)芯片）和Flashmemory（主要是NANDFlash），之所以可以在比較低的單電源條件下工作，因為芯片內(nèi)部往往有電荷泵（chargepump

）用于提升電壓，以滿足在擦除和寫入時對高電壓的要求。MLC(Multi-LevelCell)vsSLC(Single-LevelCell)ASingle-LevelCell,SLC,memorycardstoresonebitineachcell,leadingtofastertransferspeeds,lowerpowerconsumptionandhighercellendurance.TheonlydisadvantageofSingle-LevelCellisthemanufacturingcostperMB.Basedonthat,theSLCflashtechnologyisusedinhigh-performancememorycards.

AMulti-levelCell,MLC,memorycardstorestwoormorebitsineachcell.Bystoringmorebitspercell,aMulti-LevelCellmemorycardwillachieveslowertransferspeeds,higherpowerconsumptionandlowercellendurancethanaSingle-LevelCellmemorycard.TheadvantageofMulti-LevelCellmemorycardisthelowermanufacturingcosts.TheMLCflashtechnologyisusedmostlyinstandardmemorycards.TheMulti-BitCell,MBC,isasimilartechnologytotheMulti-LevelCellbutstoresonlytwobitspercell.見備注Kingston1GSDcard左側(cè)為三星K9G808U0MMLCFlashROM2bits/cell右側(cè)為SD控制芯片四、FeRAM/FRAM(Ferro-electricRAM)Ramtron公司在1992年下半年開始生產(chǎn)供銷售的鐵電存儲器。器件:FM18L08

256kBBytewideFRAMMemory(一)相對于EEPROM和Flash優(yōu)勢之處1.鐵電存儲器的讀寫速度更快。與其它存儲器相比，鐵電存儲器的寫入速度要快10萬倍以上。讀的速度同樣也很快，和寫操作速度上幾乎沒有太大區(qū)別。2.FRAM存儲器可以無限次擦寫，而EEPROM只能進行100萬次擦寫。3.鐵電存儲器所需功耗遠遠低于其他非易失性存儲器。(二)FRAM原理FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時,晶體中心原子在電場的作用下運動，并達到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持數(shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由于鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振(電)極化特性，與電磁作用無關，所以FRAM存儲器的內(nèi)容不會受到外界條件(諸如磁場因素)的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性。FRAM晶體結構(三)FRAM存儲單元結構類似DRAMFRAM的存儲單元主要由電容和場效應管構成，但這個電容不是一般的電容，在它的兩個電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個存儲單元使用2個場效應管和2個電容，稱為“雙管雙容”(2T2C)，每個存儲單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡化的2T2C存儲單元結構如圖(a)所示。2001年Ramtron設計開發(fā)了更先進的“單管單容”(1T1C)存儲單元。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個參考位，而不是對于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨立的參考位。1T1C的FRAM產(chǎn)品成本更低，而且容量更大。簡化的1T1C存儲單元結構(未畫出公共參考位)如圖(b)所示。(a)(b)位線(數(shù)據(jù)位)位線(參考位)位線(數(shù)據(jù)位)字線字線(四)FRAM的讀/寫操作

FRAM保存數(shù)據(jù)不是通過電容上的電荷，而是由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。直接對中心原子的位置進行檢測是不能實現(xiàn)的。實際的讀操作過程是：在存儲單元電容上施加一已知電場(即對電容充電)，如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會出現(xiàn)一個尖峰，即產(chǎn)生原子移動的比沒有產(chǎn)生移動的多了一個尖峰。把這個充電波形同參考位(確定且已知)的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。無論是2T2C還是1T1C的FRAM，對存儲單元進行讀操作時，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會改變(這是因為讀操作施加的電場方向與原參考位中原子的位置相同)。由于讀操作可能導致存儲單元狀態(tài)的改變，需要電路自動恢復其內(nèi)容，所以每個讀操作后面還伴隨一個“預充電”(pre-charge)過程來對數(shù)據(jù)位恢復，而參考位則不用恢復。晶體原子狀態(tài)的切換時間小于1ns，讀操作的時間小于70ns,加上“預充”時間60ns,一個完整的讀操作時間約為130ns。

寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無需進行恢復。但是寫操作仍要保留一個“預充”時間，所以總的時間與讀操作相同。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。7.3隨機存儲器（RAM）7.3.1靜態(tài)隨機存儲器SRAM（一）RAM的結構分為靜態(tài)隨機存儲器SRAM和動態(tài)隨機存儲器DRAM兩種。(2)片選信號CS’:控制I/O端是否處在高阻狀態(tài)。(1)讀寫控制信號R/W’:控制電路處于讀出,還是寫入狀態(tài)。1.六管NMOS靜態(tài)存儲單元（二）靜態(tài)RAM的存儲單元最細線寬（最小特征尺寸）0.25μm0.18μm0.13μm90nm65nm45nm6T-SRAMbitcell7.564.652.431.360.710.346T-SRAMwithoverhead11.287.183.732.091.090.521T-SRAMbitcell3.511.971.100.610.320.15Cellsizes(μm2/bitormm2/Mbit)

7.3*DRAM:四管動態(tài)MOS存儲單元T1T2交叉連接作存儲器用，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲在T1T2的寄生電容C1和C2上，而C1和C2上的電壓又控制著T1T2的導通或截止，產(chǎn)生位線B和B’上的高、低電平。C1被充電，且使C1上的電壓大于開啟電壓，同時C2沒被充電，T1導通、T2截止。VC1=Q’=1，VC2=Q=0，存儲單元存0狀態(tài)。動態(tài)存儲單元是利用MOS管柵極電容可以存儲電荷的原理動態(tài)存儲單元的電路結構還可以更簡單，進一步提高存儲密度，降低成本單管電路DRAM芯片組成的內(nèi)存模塊7.4存儲器容量的擴展7.4.1位擴展方式方法：所有輸入信號都并聯(lián)(地址信號、片選信號和讀寫信號);輸出各自獨立。N=目標存儲器容量已有存儲芯片容量需要片數(shù)N=8例：用1024字×1位RAM芯片構成1024字×8位RAM存儲器例：用256字×8位RAM芯片組成1024字×8位存儲器。需要片數(shù)N=47.4.2字擴展方式N=目標存儲器容量已有存儲芯片容量各片地址分配情況：000H0FFH100H1FFH2FFH3FFH200H300H當要求字和位同時擴展時，先字擴展或先為擴展都可以，最終結果都是一樣的。7.5用存儲器實現(xiàn)邏輯函數(shù)1.ROM的地址輸出為二進制譯碼，既輸出為地址變量的最小項2.存儲矩陣根據(jù)其存儲內(nèi)容，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出為各最小項的或運算例7.5.1用ROM實現(xiàn)由8421-BCD碼到八段顯示器的譯碼器。ROM的簡化表示方法。都轉(zhuǎn)換為4變量函數(shù)題[7-3]某臺計算機內(nèi)存設置為32位地址線，16位并行數(shù)據(jù)輸入/輸出，問其最大存儲量是多少？最大存儲容量＝232×16b（bit，比特）＝236b＝233B（Byte字節(jié)）＝223kB＝213MB＝23GB＝8GB尋址能力或?qū)ぶ房臻g是系統(tǒng)性能參數(shù)之一第7章習題題[7-4]試用4片4k×8位的RAM芯片組成16k×8位的RAM存儲器。題[7-5]試用4片2114(1024×4的RAM芯片)和3-8譯碼器74LS138實現(xiàn)4096×4位的RAM存儲器。注意74138的使用！LGS(GM)–SDRAMGM72V661641CT7J-GM7=LGS:LuckyGoldStarGM72V661641CT7J-1=FPMorEDO:2=SDRAMGM72V6