数电-09-10半导体存储器和可编程器件.

19-10半导体存储器和可编程逻辑器件（P281~315)了解半导体存储器和可编程逻辑器件的结构、功能和特点。※基本要求2几个基本概念：地址：每个字的编号。字数=2n（n为存储器外部地址线的线数）概述一、存储器存放大量二值信息（或二值数据）的器件。是计算机及其它数字系统中不可或缺的重要组成部分，属于大规模集成电路。字：表示一个信息的多位二进制码；字长：字的位数；字数：字的总量。※31)存储容量(M)：存储二值信息的总量。——字数×位数；性能指标例如：256×4bit=1024=1k——存储容量为1k210K——1M；210M——1G等。※2)存取时间——存储器操作(R/W)的速度4二、存储器的分类：1)磁介质类——软磁盘、硬盘、磁带2)光介质类——CD、DVD3)半导体介质类——1、按材料分类1)双极型:2)MOS型:具有功耗低、集成度高的优点2、按制造工艺分类53、按存、取功能分类1)只读存储器(Read-OnlyMemory，简称ROM):——正常工作时，内容只能读出，不能随时写入。※常用于存放系统程序、数据表、字符代码等不易变化的数据。2)随机存取存储器（读写存储器）RandomAccessMemory，简称RAM——正常工作时可随时读出或写入，掉电后，数据全部丢失。69.2随机存取存储器RAM（P292）（读写存储器）RAM：在工作过程中，既可随时从存储器的任意单元读出信息，又可以随时把外界信息写入任意单元。特点：使用灵活、方便。但具有易失性，即：掉电后，数据就消失(也有非易失性的RAM，实际上类似于ROM)。※7SRAM（静态）：存取速度快DRAM（动态）：结构简单、集成度高NVRAM（非易失性）RAM按存储单元工作原理不同分为RAM按所用器件可分为双极型MOS型分类：※81、RAM存储器的基本结构A0Ai行地址译码器…..列地址译码器Ai+1An-1……存储矩阵读写控制电路CSR/WI/O地址输入控制输入数据输入/输出三类信号线：地址线、数据线和控制线由存储矩阵、地址译码器、输入/输出控制电路组成。※9存储单元是存储器的最基本存储细胞，能存放一位二值数据。由于存储器的容量巨大，一般都把存储单元排列成矩阵形式。采用双译码（行、列译码），用两条地址线来共同选择存储单元。A0A1A2A3CSX0CSX1CSX15行地址译码器……列地址译码器A4A5A6A7CSY0CSY1CSY15A0A1A2A3A4A5A6A7……CS0CS1CS255地址译码器存储器阵列01255011516173232241255256根选择线16根行选择线16根列选择线双译码方式※八位地址线单译码方式102、RAM的存储单元六管NMOS存储单元T1与T3、T2与T4各构成一个NMOS反相器；两个反相器交叉耦合，组成基本SR锁存器T5、T6：本单元控制门，由行选择线Xi控制。T7、T8：一列存储单元公用的控制门，由列选择线Yj控制。位线BYj（列选择线）Xi（行选择线）T3T4T2T1T5T6T8T7DD数据线位线B数据线存储单元DDD、D：存储的一位二值数据。※(1)静态RAM存储单元(SRAM)11显然，只有X,Y选择线都是高电平，内部输入、输出才和外部数据线连接，也就是该存储单元被选中。DD当Xi=1时，T5、T6导通，存储单元与位线接通；当Xi=0时，T5、T6截止，存储单元与位线隔离。位线BYj（列选择线）Xi（行选择线）T3T4T2T1T5T6T8T7DD数据线位线B数据线当Yj=1时，T7、T8导通，位线与数据线接通；当Yj=0时，T7、T8截止，位线与数据线隔离。※11工作原理：121、利用锁存器或触发器保存数据，所以数据是非破坏性读出，一次写入，可以反复读出，对存储的数据没有反作用。3、静态存储单元功耗高，体积大，集成度低。静态存储单元的特点：2、进行读或写操作，由另外的输出/输入电路控制。大容量存储器一般都采用动态存储单元13(2)动态存储单元(DRAM)读出过程中：电容C上若充有足够电荷，其电压足够使T2导通，输出线（读位线）DO上就得到低电平0，否则得到1。写入过程就是给电容充电和放电的过程。存储原理依赖电容的电荷存储效应D※注意：每次从DRAM中读出数据时，因漏电流的原因，都会使电容C上的电荷减少，所以DRAM的读出过程是破坏性读出。14因此，每次读出后必须及时给电容再次充电，维护其内容。此外，C上电荷也不能长时间维持，所以还必须定时对电容充电，称为再生或刷新。读取时：X,Y选中该单元，T1,T3，T4,T5都开通。DO上得到存储的数据;1DD0D此时R=1,内部数据经写入刷新单元刷新电容C，刷新电平是D；1如果D=0；C应该充满电，刷新电平为1，给电容充电；如果D=1；C应该不充电，刷新电平为0，电容放电。D※15X,Y选中该单元，控制管开通。数据从DI输入，经写入刷新控制电路，对电容充、放电。0000DDD经过写入刷新控制电路，对电容充放电的电平是D※写入数据时：R/W=0若D=0→D=1则对电容充电；若D=1→D=0则对电容放电。16只选通行选择线X,并令R/W=1;定时刷新:与读出数据时数据再生相同，数据经写入刷新控制单元，根据原来存储的数据自己刷新。注意：因为此时Y不通，DI,DO都断开，数据不被读出。则，电容C上的数据经T2、T3到达“读”位线。17(3)单管存储单元0或1数据存于电容C中，T为门控管，通过控制T的导通与截止，可把数据从存储单元送至位线上或者将位线上的数据写入存储单元。由于电容很小，而且电容是连接在门控管的源极上，所以每次读取数据时，电容上的电荷消耗很多，电压下降很大。因此，读取数据时，要经过专门的读出放大器对信号进行放大。同时，由于电容上的电荷减少，存储的数据被破坏，故每次读出后，必须及时对读出单元刷新。XiTC位线※185位行地址码决定32条行选择线；3位列地址码决定8条列选择线；每4列存储单元连接在相同的列地址译码线上，组成一个字列。每行可存储8个字，每个字列存储32个字，共有32×8=256个组合，总的存储容量就是256×4=1024个存储单元。每个由X，Y共同选中的单元中实际包含了4个1位数据存储单元，表示一个4位数据。3、存储矩阵：由若干存储单元排列成矩阵形式。※256×4RAM存储矩阵采用双译码方式8位地址码199.1只读存储器(ROM)(P282)分类：(1)按制造工艺分：※二极管ROM双极型ROM(三极管)单极型(MOS)只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以称为只读存储器。(Read-OnlyMemory)(按存储单元中器件划分)20掩模ROM（固定ROM）光可擦可编程ROM（EPROM）可编程ROM一次可编程ROM（PROM）电可擦可编程ROM（E2PROM）快闪存储器(FlashMemory)E2PROM和Flash则广泛应用于各种存储卡中：例如IC卡、数码相机中的存储卡、移动存储卡、USB卡（U盘）、MP3播放器等。(2)按存储内容写入方式分21存储矩阵地址译码器地址输入ROM的基本结构：数据输出控制信号输入输出控制电路输出控制电路地址译码部分与RAM基本相同；存储单元矩阵和输入/输出控制电路由于存储机理不同，有较大区别。22D3D2D1D0+5VRRRROEA0A1A1A0Y0Y1Y2Y32线-4线译码器•字线与位线的交点都是一个存储单元。交点处有二极管相当存1，无二极管相当存0当OE=1时输出为高阻状态000101111101111010001101地址A1A0D3D2D1D0内容当OE=0时1、固定ROM：二极管ROM0100101100232、可编程ROM采用熔断丝结构，出厂时，熔丝是连通的，即存储单元为1，如欲使某些单元改写为0，只要通过编程，给这些单元通以足够大的电流将熔丝烧断即可。熔丝烧断后不能恢复，因此，PROM只能改写一次。4×4存储器，两位地址码A1A0给出4根地址线Y3~Y0；每根地址线上，有4根位线D3~D0。位线与地址线是否相连，取决于之间的熔断丝是否相通。位线※(1)二极管PROM24例如：A1A0=10，Y2=1，Y0、Y1、Y3=0由于位线与地址线用二极管连接，所以Y0,Y1,Y3不影响D的状态。001001010111101110111000A1A0D3D2D1D0※D3D2D1D0=1110111025(2)EPROM(光擦除可编程ROM)浮栅是与四周绝缘的一块导体。控制栅上加正电压，P型衬底上部感生出电子，NMOS管导通。如果浮栅带负电，则在衬底上部感生出正电荷，阻碍控制栅开启MOS管。开启需要更高的电压。控制栅加相同电压时，浮栅带电与否，表现为MOS管的截止或导通，即存储二值逻辑1或0。※SIMOS管26写入数据前，浮栅不带电，要使浮栅带负电荷，必须在栅极和漏极加上高电压。高电压使漏极PN结反相击穿，产生大量高能电子，在栅极高电压的吸引下，电子穿透栅极绝缘层，部分堆积在浮栅上使浮栅带负电。当移去外加电压后，浮栅上无放电回路，故能长期保存。只有用紫外线照射时，浮栅上的电子形成光电流释放。为便于擦除，芯片封装上装有透明的石英盖板。EPROM为一次全部擦除，数据写入需要通用或专用的编程器。※27(3)E2PROME2PROM也是采用浮栅技术。浮栅与漏极N+区延长区有一点交迭，并且交迭处的绝缘层厚度很小。控制栅上加高电压，漏极接地，即可对浮栅充电。在高电压作用下，电子穿透绝缘层积累在浮栅上，使浮栅带负电荷——“隧道效应”控制栅接地，漏极接高电压，则产生与上述相反的过程，即可对浮栅放电。——电擦除！E2PROM擦除的过程就是改写过程，以字为单位进行擦写的。E2PROM具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写。一般芯片内部带有升压电路，可以直接读写E2PROM。※28(4)快闪存储器FLASHROM结合EPROM结构简单、编程可靠的优点和E2PROM擦除快捷的特性。集成度高，可靠性好。较大绝缘层更薄特点：a.通过在源极上加正压，使浮栅放电，擦除写入的数据。b.因为个存储单元MOS管的源极是连在一起的，所以擦除是整片或分块擦除。c.擦除速度很快，一般整片擦除只需几秒钟。※29相同点：1)均为电擦除，不需要专门的工具写入和擦除。2)内部需要有升压电路，擦除时间短(ms级)；不同点：E2PROM是对单个存储单元擦除；FLASHROM由于源极都并联，所以擦除时为整片擦除，或分块擦除，擦除速度更快。E2PROM和FLASHROM的比较：※30EPROM集成电路D7～D0PGM输出缓冲器Y选通存储阵列CEOE控制逻辑Y译码X译码A16～A0VPPGNDVCCAT27C010，128K´8位ROM读操作时的工作电压5V编程操作时的工作电压13V输出使能信号片选信号编程选通信号控制信号均为低电平有效！※31CEOEPGM工作模式A16~A0VPPD7~D0读00XAiX数据输出输出无效X1XXX高阻等待1XXAiX高阻快速编程010AiVPP数据输入编程校验001AiVPP数据输出表7.1.3工作模式片选信号输出使能信号编程选通信号说明：EPROM的数据写入均由专用或通用编程器完成。※32ROM的读操作与时序图（2）加入有效的片选信号CEOE（3）使输出使能信号有效，经过一定延时后，有效数据出现在数据线上；CEOE（4）让片选信号或输出使能信号无效，经过一定延时后数据线呈高阻态，本次读出结束。（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；tCEtAA读出单元的地址有效CEtOEOED7~D0数据输出有效tOZtOHA16~A0※339.3存储器容量的扩展（P296-299）当一片RAM(或ROM)不能满足存储容量位数(或字数)要求时，需要多片存储芯片进行扩展，形成一个容量更大、字数位数更多的存储器。扩展方法根据需要有位扩展、字扩展和字位同时扩展3种。34把各片芯片并联。即将RAM的地址线、读/写控制线和片选信号对应地并联在一起。每个地址对应多个芯片内部的相同位置的存储单元，扩展了每个地址的位数。图7.2.1