半導(dǎo)體存儲器課件

半導(dǎo)體存儲器

7.1概述1.半導(dǎo)體存儲器的定義

半導(dǎo)體存儲器就是能存儲大量二值信息（或稱作二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。它是屬于大規(guī)模集成電路，由于計算機以及一些數(shù)字系統(tǒng)中要存儲大量的數(shù)據(jù)，因此存儲器是數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，其組成框圖如圖7.1.1所示。輸入/出電路I/O輸入/出控制圖7.1.12.存儲器的性能指標(biāo)

由于計算機處理的數(shù)據(jù)量很大，運算速度越來越快，故對存儲器的速度和容量有一定的要求。所以將存儲量和存取速度作為衡量存儲器的重要性能指標(biāo)。目前動態(tài)存儲器的容量已達(dá)109位/片，一些高速存儲器的存取時間僅10ns左右。3.半導(dǎo)體存儲器的分類

（1）從存取功能上分類

從存取功能上可分為只讀存儲器（Read－OnlyMemory，簡稱ROM）和隨機存儲器（RandomAccessMemory，簡稱RAM）。ROM的特點是在正常工作狀態(tài)下只能從中讀取數(shù)據(jù)，不能快速隨時修改或重新寫入數(shù)據(jù)。其電路結(jié)構(gòu)簡單，而且斷電后數(shù)據(jù)也不會丟失。缺點是只能用于存儲一些固定數(shù)據(jù)的場合。a.ROM

：ROM可分為掩模ROM、可編程ROM（ProgrammableRead－OnlyMemory，簡稱PROM）和可擦除的可編程ROM（ErasableProgrammableRead－OnlyMemory，簡稱EPROM）。*掩模ROM在制造時，生產(chǎn)廠家利用掩模技術(shù)把數(shù)據(jù)寫入存儲器中，一旦ROM制成，其存儲的數(shù)據(jù)就固定不變，無法更改。***EPROM是采用浮柵技術(shù)的可編程存儲器，其數(shù)據(jù)不但可以由用戶根據(jù)自己的需要寫入，而且還能擦除重寫，所以具有較大的使用靈活性。它的數(shù)據(jù)的寫入需要通用或?qū)Ｓ玫木幊唐?，其擦除為照射擦除，為一次全部擦除。電擦除的PROM有E2PROM和快閃ROM。**PROM在出廠時存儲內(nèi)容全為1（或者全為0)，用戶可根據(jù)自己的需要寫入，利用通用或?qū)Ｓ玫木幊唐鳎瑢⒛承﹩卧膶憺?(或為1)。b.隨機存儲器RAM（讀寫存儲器）

隨機存儲器為在正常工作狀態(tài)下就可以隨時向存儲器里寫入數(shù)據(jù)或從中讀出數(shù)據(jù)。

根據(jù)采用的存儲單元工作原理不同隨機存儲器又可分為靜態(tài)存儲器（StaticRandomAccessMemory，簡稱SRAM）和動態(tài)存儲器（DynamicRandomAccessMemory，簡稱DRAM）

SRAM的特點是數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶，只要不斷電，數(shù)據(jù)就能永久保存。但SRAM存儲單元所用的管子數(shù)量多，功耗大，集成度受到限制，為了克服這些缺點，則產(chǎn)生了DRAM。它的集成度要比SRAM高得多，缺點是速度不如SRAM。（2）從制造工藝上分類RAM使用靈活方便，可以隨時從其中任一指定地址讀出（取出）或?qū)懭耄ù嫒耄?shù)據(jù)，缺點是具有數(shù)據(jù)的易失性，即一旦失電，所存儲的數(shù)據(jù)立即丟失。

從制造工藝上存儲器可分為雙極型和單極型（CMOS型），由于MOS電路（特別是CMOS電路），具有功耗低、集成度高的優(yōu)點，所以目前大容量的存儲器都是采用MOS工藝制作的。7.2只讀存儲器（ROM)優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，斷電后數(shù)據(jù)不丟失，具有非易失性。缺點：只適用于存儲固定數(shù)據(jù)的場合。ReadOnlyMemory一.ROM的電路結(jié)構(gòu)ROM電路結(jié)構(gòu)包含存儲矩陣、地址譯碼器和輸出緩沖器三個部分。a.存儲矩陣

存儲矩陣是由許多存儲單元排列而成。存儲單元可以是二極管、雙極型三極管或MOS管，每個單元能存放1位二值代碼（0或1)，而每一個或一組存儲單元有一個相應(yīng)的地址代碼。圖7.2.1b.地址譯碼器c.輸出緩沖器

輸出緩沖器的作用提高存儲器的帶負(fù)載能力，另外是實現(xiàn)對輸出狀態(tài)的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)的總線相聯(lián)。

地址譯碼器是將輸入的地址代碼譯成相應(yīng)的控制信號，利用這個控制信號從存儲矩陣中把指定的單元選出，并把其中的數(shù)據(jù)送到輸出緩沖器圖7.2.1二、只讀存儲器分類：掩膜ROM：出廠后內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)不能改動，只能讀出。PROM：可編程，只能寫一次。EPROM:用紫外線擦除，擦除和編程時間較慢，次數(shù)也不宜多。E2PROM:電信號擦除，擦除和寫入時需要加高電壓脈沖，擦、寫時間仍較長?？扉W存儲器(FlashMemory)：吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡單，編程可靠的優(yōu)點，又保留了E2PROM用隧道效應(yīng)擦除的快捷特性，集成度可作得很高。1.二極管ROM電路

圖7.2.2是具有2位地址輸入碼和4位數(shù)據(jù)輸出的ROM電路。其地址譯碼器是由4個二極管與門構(gòu)成，存儲矩陣是由二極管或門構(gòu)成，輸出是由三態(tài)門組成的。圖7.2.2三、掩膜只讀存儲器分類：其中：

地址譯碼器是由4個二極管與門組成，A1、A0稱為地址線，譯碼器將4個地址碼譯成W0～W34根線上的高電平信號。W0～W3叫做字線。圖7.2.2

存儲矩陣是由4個二極管或門組成的編碼器，當(dāng)W0～W3每根線分別給出高電平信號時，都會在D0～D34根線上輸出二進(jìn)制代碼，D0～D3稱為位線（或數(shù)據(jù)線）。A0~An-1W0W(2n-1)字線位線輸出端的緩沖器用來提高帶負(fù)載能力，并將輸出的高低電平變換成標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平。同時通過給定EN

信號實現(xiàn)對輸出的三態(tài)控制，以便與總線相聯(lián)。在讀出數(shù)據(jù)時，只要輸入指定的地址代碼，同時令EN

＝0,則指定的地址內(nèi)各存儲單元所存數(shù)據(jù)便出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出端。圖7.2.2的存儲的內(nèi)容見表7.2.1圖7.2.2圖7.2.3也可以用簡化畫法。凡是有二極管的位置，均用交叉點“.”表示，并且省略電阻、輸出緩沖器和電源

等符號，如圖7.2.4所示。圖7.2.2注：

a.通常將每個輸出的代碼叫一個“字”（WORD），W0~W1為字線，D0~D3為位線，其相交叉的點就是一個存儲單元，其中有二極管的相當(dāng)于存1,沒有二極管相當(dāng)于存0.因此交叉點的數(shù)目即為存儲單元數(shù)。習(xí)慣上用存儲單元的數(shù)目表示存儲器的存儲量（或稱為容量）即b.二極管ROM的電路結(jié)構(gòu)簡單，故集成度可以做的很高，可批量生產(chǎn)，價格便宜。c.可以把ROM看成一個組合邏輯電路，每一條字線就是對應(yīng)輸入變量的最小項，而位線是最小項的或，故ROM可實現(xiàn)邏輯函數(shù)的與－或標(biāo)準(zhǔn)式。存儲容量＝字?jǐn)?shù)×位數(shù)如上述ROM的存儲量為4×4＝16位。2.由CMOS構(gòu)成

利用MOS工藝制成的ROM，其譯碼器、存儲矩陣和輸出緩沖器全部采用MOS管。圖7.2.5只給出存儲矩陣的原理圖。存儲的數(shù)據(jù)與表7.2.1相同。圖7.2.5由圖中可以看出，字線和位線的交叉點，接MOS管的相當(dāng)于存1,沒有的相當(dāng)于存0.當(dāng)某根字線為高電平時，接在其上的MOS導(dǎo)通，其位線為低電平，通過三態(tài)非門后，輸出數(shù)據(jù)為1.圖7.2.5掩模ROM的特點：出廠時已經(jīng)固定，不能更改，適合大量生產(chǎn)簡單，便宜，非易失性四、EPROM（Ultra－VioletErasableProgrammableRead－OnlyMemory，簡稱UVEPROM）EPROM和前面的PROM在總體結(jié)構(gòu)上沒有大的區(qū)別，只是存儲單元不同，采用疊柵注入MOS管（Stacked－gateInjuctionMetal－Oxide－Semiconductor，簡稱SIMOS）做為存儲單元。熔絲型PROM存儲單元的原理圖如圖所示。沒使用前，全部數(shù)據(jù)為1要存入0：找到要輸入0的單元地址，輸入地址代碼，使相應(yīng)字線輸出高電平在相應(yīng)位線上加高電壓脈沖，使DZ導(dǎo)通，大電流使熔斷絲熔斷五、E2PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead－OnlyMemory，簡寫為E2PROM）

雖然紫外線擦除的EPROM具有重寫功能，但擦除操作復(fù)雜，速度慢。為了禰補這些不足，則產(chǎn)生了用電信號擦除的PROM就是E2PROM。7.3隨機存儲器（RAM)優(yōu)點：讀、寫方便,使用靈活。缺點：一旦停電所存儲的數(shù)據(jù)將隨之丟失（易失性）?；窘Y(jié)構(gòu)：地址譯碼器、存儲矩陣和讀\寫控制電路構(gòu)成。RandomAccessMemory...P368圖7.3.21．靜態(tài)隨機存儲器SRAM電路結(jié)構(gòu)

SRAM主要由存儲矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路三部分組成2114RAM（1024×4位）的結(jié)構(gòu)框圖2.動態(tài)隨機存儲器(DRAM)

動態(tài)RAM的存儲矩陣由動態(tài)MOS存儲單元組成

下圖是單管動態(tài)MOS存儲單元，它只有一個NMOS管和存儲電容器CS,CO是位線上的分布電容(CO>>CS)。7.4