第7章 半导体存储器.

数字电子技术应用林敏主编科学出版社数字电子技术应用林敏主编科学出版社第七章半导体存储器数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.1概述半导体存储器是一种能存储大量信息的器件，它是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有唯一的地址代码加以区分，而且能存储一位（或一组）二进制信息。存储器是能够存储大量二进制信息的半导体器件，如可以存放各种程序、数据和资料等。存储器是数字系统和计算机中不可缺少的组成部分，半导体存储器因具有容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等特点，在数字系统中应用很广泛。存储器的性能指标很多，例如存储容量、存取速度、封装形式、电源电压、功耗等，但就实际应用而言，最重要的性能指标是存储器的存储容量和存取时间。下面就这两项性能指标的具体情况予以说明数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.1概述1．存储容量存储容量表示存储器存放二进制单元的多少，一般来说，存储容量就是存储单元的总数，一组二进制信息称为一个字，而一个字由若干位(Bit)组成，若一个存储器由N个字组成，每个字为M位，则存储器的容量为N×M，单位是二进制的位。例如一个存储单元有1K字，每个字的字长是4位，则该存储器的容量是4096位二进制单元。数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.1概述2．存取速度存储器的存取速度可用“存取时间”和“存储周期”这两个时间参数来衡量。“存取时间”（AccessTime）是指从微处理器发出有效存储器地址从而启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所经历的时间。很显然，存取时间越短，则存取速度越快。“存储周期”（memorycycle）是连续启动两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔。由于存储器在完成读/写操作之后需要一段恢复时间，所以存储器的存储周期略大于存储器的存取时间。如果在小于存储周期的时间内连续启动两次存储器访问，那么存取结果的正确性将不能得到保证。存取周期越短越好，目前高速随机存储器的存取周期仅10ns左右数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.1概述随机存储器和只读存储器半导体存储器的种类很多，从信息的存取情况来看，半导体存储器可分为随机存储器和只读存储器两大类。随机存储器在正常工作状态下可以随机地向存储器任意存储单元写入数据或从任意存储单元读出数据，其英文名称为：RandomAccessMemory，缩写为RAM。在断电后，RAM中的信息会丢失。只读存储器在正常工作时，存储器中的数据只能读出，不能写入。只读存储器的英文名称为：ReadOnlyMemory，缩写为ROM。在断电后，ROM中的信息不会丢失。随机存取存储器与只读存储器的根本区别在于：随机存储器在正常工作状态时可随时向存储器里写入数据或从中读出数据，在存储器断电后信息全部丢失，因此RAM也称为易失性存储器。数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.1概述目前市面上的存储器：MROM，内容是工厂预先做好的，用户不能改写的只读存储器。PROM，可以一次编程的只读存储器。EPROM，可用紫外线擦除的可改写的只读存储器，E2ROM，电擦除的可改写的只读存储器。SROM，静态存储器。DROM，动态存储器。非易失性RAM，由SRAM和E2PROM组成，正常工作时，用SRAM存取，当断电时数据转移到E2ROM中。高速数据不挥发SRAM，采用锂电池供电，数据可以保持10年以上。FlashMemory，闪速存储器，类似于E2ROM，但是具有容量大，使用方便的优点。数字电子技术应用林敏主编科学出版社半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）7.1概述数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.1只读存储器的组成MROM，内容是工厂预先做好的，用户不能改写的只读存储器。PROM，可以一次编程的只读存储器。EPROM，可用紫外线擦除的可改写的只读存储器，E2ROM，电擦除的可改写的只读存储器。SROM，静态存储器。DROM，动态存储器。非易失性RAM，由SRAM和E2PROM组成，正常工作时，用SRAM存取，当断电时数据转移到E2ROM中。高速数据不挥发SRAM，采用锂电池供电，数据可以保持10年以上。FlashMemory，闪速存储器，类似于E2ROM，但是具有容量大，使用方便的优点。数字电子技术应用林敏主编科学出版社ROM由地址译码器、存储矩阵、输出和控制电路组成，如图7-1所示。图7-1ROM原理结构框图7.2只读存储器数字电子技术应用林敏主编科学出版社ROM由地址译码器、存储矩阵、输出和控制电路组成，如图7-1所示。图7-1ROM原理结构框图7.2只读存储器7.2.2只读存储器的工作原理＆＆＆＆111111地址译码器存储矩阵输出电路D3D2D1D0D3D2D1D0W0W1W2W3A0A1字线+VDD地址译码器存储矩阵输出电路字线数字电子技术应用林敏主编科学出版社可编程PROM的总体结构与掩模ROM一样，同样由存储矩阵、地址译码器和输出电阻组成，不过在出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储单元，就是在所有的存储单元都存储了1。可编程只读存储器是可由用户直接向芯片写入信息的存储器，但PROM的缺点是只能写入一次数据，且一经写入就不能再更改了。7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元1.可编程只读存储器（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称PROM）数字电子技术应用林敏主编科学出版社可编程PROM封装出厂前，存储单元中的内容全为“1”，用户可根据需要进行一次性编程处理，将某些单元的内容改为“0”。图7-3所示是PROM的一种存储单元,7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元1.可编程只读存储器（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称PROM）WiECYi图7-3一种PROM存储单元数字电子技术应用林敏主编科学出版社EPROM为可擦除可编程只读存储器，它可反复使用多次，灵活、方便，深受用户欢迎。目前多用叠栅注入型MOS管（称为SIMOS管）构成EPROM的存储单元。7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元2.可擦除可编程只读存储器（EPROM）图7-4SIMOS管的结构和符号图7-5使用SIMOS的存储单元SDSiONNPGGfc++2GcGfDS....字线位线....数字电子技术应用林敏主编科学出版社随着电子技术的发展，又出现了一种称为电可擦除可编程只读存储器，简称EEPROM或E2PROM，其存储信息的原理类似EPROM，但擦除的原理不同。EEPROM是通过在存储信息的MOS管的源极和漏极之间加一个较高的电压，使浮栅上的电荷跑掉。它可以整片擦除，也可以擦除指定的单元。EEPROM具有EPROM只读存储器可重编程的特点，又具有擦除速度快、可按单元擦除的优点7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元3.电可擦可编程只读存储器（EEPROM）图7-6Flotox管的结构和符号图7-7Flotox管组成的存储单元数字电子技术应用林敏主编科学出版社快闪存储器的叠栅MOS管与SIMOS管极为相似，两者最大的区别是浮置栅与衬底间氧化层的厚度不同，在EPROM中这个氧化层的厚度一般为30~40nm，而在快闪存储器中仅为10~15nm。而且浮栅与源区重叠部分的面积极小，因而浮置栅－源区之间的电容比浮置栅－控制栅间的电容小的多。当控制栅和源极之间加上电压时，大部分降落在浮置栅与源极之间的电容上。快闪存储器的存储单元如图7-9所示。7.2只读存储器7.2.3其它各种ROM存储单元4.快闪存储器（FlashMemory）图7-8快闪存储器中的叠栅MOS管图7-9快闪存储器的存储单元数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用1．集成EPROM表7-2常用的EPROM芯片主要技术特性型号271627322764271282725627512容量（KB）248163264引脚数242428282828读出时间（ns）350～450200＊200＊200＊200＊170＊最大工作电流（mA）10075100100125最大维持电流（mA）3535404040操作方式控制输入功能读005v5v数据输出维持1×5v5v高阻态编程1125v5v数据输入编程校验0025v5v数据输出编程禁止0125v5v高阻态表7-3EPROM2716的操作方式数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用1．集成EPROM图7-102764引脚图2814D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP61098724543252123220222711611121315171819GNDGNDVCC2764是一个28脚双列直插封装的紫外线可擦除可编程ROM集成电路。2764共有213个字，存储容量为8K×8位。其引脚图如图7-10所示。各管脚功能如下：A0～A12：13根地址线；D0～D7：8根三态数据总线；：片选信号输入线，低电平有效；：读选通信号输入线，低电平有效；：编程脉冲输入线；VPP：编程电源输入线；VCC：主电源输入线，一般为+5V；GND：线路地。CEOEPGM数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用1．集成EPROM表7-4EPROM2764的操作方式操作方式控制输入功能编程写入01025v5vD0～D7上的内容存入对应的单元读出数据0015v5vA0～A12对应单元的内容输出低功能维持1××5v5vD0～D7成高阻态编程校验00125v5v数据读出编程禁止1××25v5vD0～D7成高阻态数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用图7-11PROM方框图输入1输入2输入n输出1输出2输出m固定与门阵列可编程或门阵列从逻辑器件的角度理解，可编程ROM的基本结构是由一个固定连接的与门阵列（它被连接成一个译码器）和一个可编程的或门阵列（存储矩阵）所组成，如图7-11所示。n个输入为ROM的地址线，m个输出为ROM的数据线。数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用图7-12PROM的点阵表示图图7-12所示为一PROM的结构示意图，与图7-11相对应。图中的与门阵列构成一个两变量的地址译码器：010AAW011AAW012AAW013AAW在用PROM实现逻辑函数时，通常采用一种简化的画法，即将或门阵列中Wi线和Dj线的交叉处用“*”点表示可编程连接点，存储的信息为“1”；不画点表示此处不连接，此图也称为点阵图。数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用由上述标准式可知：函数Y1有四个存储单元应为“1”，函数Y2也有四个存储单元应为“1”，函数Y3有五个存储单元应为“1”，实现这三个函数的逻辑图可表示为图7-13。例7.1用PROM实现下列逻辑函数CCBAYCACBYABBAY321解：利用=1将上述函数式化为标准与－或式：AA7,5,3,2,14,3,1,07,6,1,0321CCBAYCACBYABBAY数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器7.2.4只读存储器的应用2．EPROM的应用Y3Y2Y1ABC2&&&&&&&&W4W3W2W1W0W5W6W7≥1≥1≥1图7-13例题7.1的逻辑图数字电子技术应用林敏主编科学出版社7.2只读存储器解：根据题意，可列真值表：例7.3用PROM设计一个比较器，比较两个两位二进制数A1A0和B1B0的大小。当A1A0B1B0时F1(AB)=1；当A1A0B1B0时，F2(AB)=1；当A1A0=B1B0