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1、第7章 半导体存储器,数字电子技术 Digital Electronics Technology,海南大学数字电子技术课程组 教学网址：http:/ 讨论空间：http:/ E-mail: ,7.1 概述,1. 存储器 定义：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。 用途：在计算机或数字系统中存储数据 。 与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包含若干位。各个字的相同位通过同一引脚与外界联系。每个字分配一个地址，因此内部有地址译码器。,7.1 概述,随机存储器RAM （Random Access Memory）,按功能,只读存储器ROM（Read- Only Memory）,只能读出不能
2、写入,断电不失,分类：,掩模ROM,可编程ROM（PROM）,(Programmable ROM),(Erasable PROM),ROM,可擦除可编程ROM（EPROM）,UVEPROM,EEPROM,Flash Memory,电可擦除(Electrically),紫外线擦除 (Ultra-Violet),快闪存储器,静态存储器SRAM (Static RAM),动态存储器DRAM (Dynamic RAM),还可以按制造工艺分为双极型和MOS型两种。,主要指标：存储容量、存取速度。,存储容量: 用字数位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为109位/片。,7.1 概述,RAM,
3、存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器的存取时间仅有10ns左右。,一、掩模只读存储器,又称为固定ROM。工厂按用户要求生产出来后，用户不能改动。,1. ROM的构成,7.2 只读存储器ROM,存储矩阵：由若干存储单元排列成矩阵形式。,储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。,地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。,输出缓冲器：增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和系统的总线相连。,7.2 只读存储器ROM,7.2 只读存储器ROM,1. 工作原理,二四线译码器,A1,A0的四个最小项,字线,位线,以2位地址输入和4为数据输
4、出的ROM为例，其存储矩阵是四组二极管或门：,D1= D3 = A0,地址与存储数据对应关系表,7.2 只读存储器ROM,7.2 只读存储器ROM,用MOS工艺制造的ROM的存储矩阵如图所示：,二、可编程只读存储器PROM,产品出厂时存的全是1，用户可一次性写入，即把某些1改为0。但不能多次擦除。,存储单元多采用熔丝低熔点金属或多晶硅。写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。,编程时VCC和字线电压提高,7.2 只读存储器ROM,16字8位的PROM,十六条字线,八条位线,读出时，读出放大器AR工作，写入放大器AW不工作。,写入时，在位线输入编程脉冲使写入放大器工作，且输出低电平，同时相应
5、的字线和VCC提高到编程电平，将对应的熔丝烧断。,缺点：不能重复擦除。,7.2 只读存储器ROM,7.2 只读存储器ROM,三、可擦除的可编程只读存储器（EPROM）,（一）紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM）,最早出现的EPROM。通常说的EPROM就是指这种。,1. 使用FAMOS管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，浮栅雪崩注入MOS管）,写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较高电压后（如-20V），漏极PN结雪崩击穿，部分高速电子积累在浮栅上，使MOS管导通。,7.2 只读存储器ROM,擦除：用紫外线或X射线擦除。需2030分钟。,缺点：需
6、要两个MOS管；编程电压偏高；P沟道管的开关速度低。,浮栅上电荷可长期保存在125环境温度下，70%的电荷能保存10年以上。,存储单元图,用N沟道管；增加控制栅。,SIMOS管原来可导通，开启电压约为2V。,注入电荷：在DS间加高电压，同时在控制栅加25V、50mS宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导通。,2. 使用管SIMOS(Stacked-gate Injuction MOS，叠栅注入MOS管),7.2 只读存储器ROM,这是一种双译码方式，行地址译码器和列地址译码器共同选中一个单元。每个字只有一位。,7.2 只读存储器ROM,
7、（二）电可擦除EPROM(EEPROM或E2ROM),用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存储器件，使得可以用电信号进行擦除。,使用浮栅隧道氧化层MOS管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide),7.2 只读存储器ROM,写入（写0）,擦除（写1）,读出,特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（20纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大于107V/cm时隧道区双向导通。,当隧道区的等效电容极小时，加在控制栅和漏极间的电压大部分降在隧道区，有利于隧道区导通。,存储单元：,擦除和写入均利用隧道效应,10ms,7.2 只读存储器ROM,7.2 只读存储器ROM,EEPR
8、OM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单元需两只MOS管。,（三）快闪存储器(Flash Memory),采用新型隧道氧化层MOS管。,隧道层在源区；,隧道层更薄(1015nm)。在控制栅和源极间加12V电压即可使隧道导通。,特点：,7.2 只读存储器ROM,存储单元的工作原理：,（1）写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接6V；控制栅12V脉冲，宽10 s。,（2）擦除用隧道效应。控制栅接地；源极接12V脉冲，宽为100ms。因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元。,（3）读出：源极接地，字线为5V逻辑高电平。,快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用
9、方便。已有64兆位产品问世。很有发展前途。,7.3 随机存储器（RAM）,一、静态随机存储器SRAM,特点：RAM在工作时可随时对任意指定单元进行读或写操作。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种，也可称为读写存储器。,（一）RAM的结构,1. 存储矩阵,2. 地址译码：双译码。,3. 读写控制电路：,1024字4位（2114）,SRAM结构,（二）静态RAM的存储单元,1.六管NMOS静态存储单元,7.3 随机存储器（RAM）,2.六管CMOS静态存储单元,3.双极型静态存储单元,7.3 随机存储器（RAM）,7.3 随机存储器
10、（RAM）,（三）动态RAM的存储单元,利用MOS管栅极电容可以暂存电荷的原理制成。因此，存储单元简单，存储容量大。但栅极电容很小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电刷新、再生。这就需要外围电路配合。,7.4 存储器容量的扩展,一、位扩展方式,需要片数N=8,例：用1024字1位RAM构成1024字8位RAM.,方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和读写信号）。输出并列。,7.4 存储器容量的扩展,二、字扩展方式,需要片数N=4,例：用256字8位RAM组成1024字8位存储器。,7.4 存储器容量的扩展,方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；I/O同名端并联。,7.5用存储器实现组合逻辑函数,ROM的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。,例：用ROM实现由8421-BCD码到七段显示器的译码器。,输入变量,作业：,P. 383-385 7.1，7.2，7.4，7.7，7.11,