第十章 半导体存储器

EXIT半导体存储器EXIT概述第十章半导体存储器本章小结随机存取存储器(RAM)只读存储器(ROM)EXIT半导体存储器EXIT本章目标：通过对本章的学习，读者可以具备下述能力：1．了解半导体存储器的基本结构、工作原理和用途2．掌握只读存储器的类型、工作原理和特点3．掌握随机存储器的类型、工作原理和应用EXIT半导体存储器EXIT10.1概述主要要求：了解半导体存储器的作用、类型与特点。EXIT半导体存储器EXIT存储器的存储媒介有多种，应用范围也非常广泛。软磁盘磁带硬盘内存条光盘优盘数码相机用SM卡EXIT半导体存储器EXIT一、半导体存储器的作用存放二值数据二、半导体存储器的分类１．按制造工艺分类：双极型：工作速度快、功耗大、价格较高。MOS型：集成度高、功耗小、工艺简单、价格低。10.1.1半导体存储器的特点与应用EXIT半导体存储器EXIT例如计算机中的自检程序、初始化程序便是固化在ROM中的。计算机接通电源后，首先运行它，对计算机硬件系统进行自检和初始化，自检通过后，装入操作系统，计算机才能正常工作。只读存储器(ROM，即Read-OnlyMemory)随机存取存储器(RAM，即RandomAccessMemory)RAM既能读出信息又能写入信息。它用于存放需经常改变的信息，断电后其数据将丢失。常用于存放临时性数据或中间结果。例如计算机内存就是RAMROM在工作时只能读出信息而不能写入信息。它用于存放固定不变的信息，断电后其数据不会丢失。常用于存放程序、常数、表格等。2、按存取方式不同，半导体存储器可分成只读存储器ROM、随机存取存储器RAMEXIT半导体存储器EXIT2.存储容量及其表示用“M”表示“1024K”，即1M=1024K=210K=220。1.存储容量及其表示指存储器中存储单元的数量例如，一个328的ROM，表示它有32个字，字长为8位，存储容量是328=256。对于大容量的ROM常用“K”表示“1024”，即1K=1024=210；例如，一个64K8的ROM，表示它有64K个字，字长为8位，存储容量是64K8=512K。一般用“字数字长(即位数)”表示10.1.2半导体存储器的主要技术指标2.存取时间和存取周期存储器的一次操作(读或写)所需要的时间。称存储器存取访问时间。EXIT半导体存储器EXIT主要要求：了解ROM的类型和结构，理解其工作原理。了解集成EPROM的使用。理解字、位、存储容量等概念。10.3只读存储器EXIT半导体存储器EXIT按数据写入方式不同分掩模ROM可编程ROM(ProgrammableROM，简称PROM)可擦除PROM(ErasablePROM，简称EPROM)电可擦除EPROM(ElectricallyEPROM，简称E2PROM)10.3.1ROM的类型及其特点写入的数据可电擦除，用户可以多次改写存储的数据。使用方便。其存储数据在制造时确定，用户不能改变。用于批量大的产品。其存储数据由用户写入。但只能写一次。写入的数据可用紫外线擦除，用户可以多次改写存储的数据。EXIT半导体存储器EXIT10.3.2ROM的结构和工作原理(一)存储矩阵由存储单元按字(Word)和位(Bit)构成的距阵由存储距阵、地址译码器(和输出电路)组成地址译码器存储阵列输出缓冲器控制电路D0A1Ak-1......02K-2K-12D1Dn-1...地址输入数据输入输出ENA0EXIT半导体存储器EXIT存储矩阵输出电路EN1111D3RY3Y2Y1Y0W0A0A1地址译码器位线W1W2W3RRREND2D1D0(a)电路图4×4位二极管固定ROM字线芯片在制造时就把需要存储的内容用电路结构固定下来，使用时无法再改变。二极管固定ROM字线和位线的交叉处代表一个存储单元，有二极管表示存1，否则表示存0。A1A0D3D2D1D00000000100011011101111114×4位ROM数据表EXIT半导体存储器EXIT44存储矩阵结构示意图W3W2W1W0D3D2D1D0字线位线字线与位线的交叉点即为存储单元。每个存储单元可以存储1位二进制数。交叉处的圆点“”表示存储“1”；交叉处无圆点表示存储“0”。当某字线被选中时，相应存储单元数据从位线D3~D0输出。10111011从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中含有的存储单元数称为字长，即字长=位数。W31.存储矩阵的结构与工作原理EXIT半导体存储器EXIT3.存储单元结构2.存储单元结构(1)固定ROM的存储单元结构二极管ROMTTL-ROMMOS-ROMWiDjWiDjVCCWiDj+VDD1接半导体管后成为储1单元；若不接半导体管，则为储0单元。EXIT半导体存储器EXIT(2)PROM的存储单元结构PROM出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为全1(或全0)。用户可借助编程工具将某些单元改写为0(或1),这只要将需储0(或1)单元的熔丝烧断即可。熔丝烧断后不可恢复，因此PROM只能一次编程。二极管ROMTTL-ROMMOS-ROMWiDjWiDjVCCWiDj+VDD1熔丝熔丝熔丝EXIT半导体存储器EXIT(3)可擦除PROM的存储单元结构EPROM利用编程器写入数据，用紫外线擦除数据。其集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。E2PROM可以电擦除数据，并且能擦除与写入一次完成，性能更优越。用一个特殊的浮栅MOS管替代熔丝。构成EPROM和EEPROM3～4μmN+N+SiO2P型硅衬底SGD控制栅(多晶硅)浮栅(多晶硅)构成EPROM存储单元的叠层栅MOS管剖面示意图SiO2PS1G1D1擦写栅(多晶硅)浮栅(多晶硅)构成EEPROM存储单元的浮置栅型场效应管示意图N+N+SiO2极薄层G1D1S10+21V(a)剖面示意图(b)浮栅俘获电子示意图EXIT半导体存储器EXIT刚才介绍了ROM中的存储距阵，下面将学习ROM中的地址译码器。(二)地址译码器(二)地址译码器从ROM中读出哪个字由地址码决定。地址译码器的作用是：根据输入地址码选中相应的字线，使该字内容通过位线输出。例如，某ROM有4位地址码，则可选择24=16个字。设输入地址码为1010，则字线W10被选中，该字内容通过位线输出。存储矩阵中存储单元的编址方式单译码编址方式双译码编址方式适用于小容量存储器。适用于大容量存储器。EXIT半导体存储器EXIT又称单译码编址方式或单地址寻址方式D1≈D7≈地址译码器0,01,031,031,10,11,1A0A1A431,70,71,7W0W1W31D0≈…………单地址译码方式328存储器的结构图1.单地址译码方式一个n位地址码的ROM有2n个字，对应2n根字线，选中字线Wi就选中了该字的所有位。328存储矩阵排成32行8列，每一行对应一个字，每一列对应32个字的同一位。32个字需要5根地址输入线。当A4~A0给出一个地址信号时，便可选中相应字的所有存储单元。例如，当A4~A0=00000时，选中字线W0，可将(0，0)~(0，7)这8个基本存储单元的内容同时读出。基本单元为存储单元EXIT半导体存储器EXITA5≈A7≈行地址译码器W0W1W15W31W16W17A0A1A3W255W240W241X0X1X15A4≈………双地址译码方式256字存储器的结构图A2列地址译码器A6Y1Y15Y0又称双译码编址方式或双地址寻址方式地址码分成行地址码和列地址码两组2.双地址译码方式基本单元为字单元例如当A7~A0=00001111时，X15和Y0地址线均为高电平，字W15被选中，其存储内容被读出。若采用单地址译码方式，则需256根内部地址线。256字存储器需要8根地址线，分为A7~A4和A3~A0两组。A3~A0送入行地址译码器，产生16根行地址线(Xi)；A7~A4送入列地址译码器，产生16根列地址线(Yi)。存储矩阵中的某个字能否被选中，由行、列地址线共同决定。EXIT半导体存储器EXIT为了便于用PROM实现组合逻辑函数，首先需要理解PROM结构的习惯画法。2.PROM结构的习惯画法AB与门和或门的习惯画法CY&ABCY≥1ABCY&ABCY≥1EXIT半导体存储器EXITA1A0地址译码器(为与阵列)D3D2D1D0W3W2W1W0&A1A0=m3A1A0=m2A1A0=m1A1A0=m01存储矩阵(为或阵列)1&&&A1地址译码器(为与阵列)W3W2W1W0D3=m3+m2+m0D3=m2+m1D3=m3+m0D3=m3+m2&1&&&1A0m3m2m1m0≥1≥1≥1≥1存储矩阵(为或阵列)PROM结构的习惯画法EXIT半导体存储器EXIT10.4快闪存储器快闪存储器(FlashMemory)，简称闪存。它具有EPROM的结构简单、编程可靠的优点，同时又具有E2PROM的在电路中电擦除特性，与E2PROM相比较，集成度有较大幅度的提高。SDGCN+N+PSSiO2DGCGf隧道区（a）叠栅MOS管的结构图（b）叠栅MOS管符号图快闪存储器中的叠栅MOS管和符号SDGCVSSDj位线字线Wj快闪存储器的存储单元EXIT半导体存储器EXIT主要要求：了解RAM的类型、结构和工作原理。了解集成RAM的使用。了解RAM和ROM的异同。10.5随机存取存储器掌握RAM的扩展方法。EXIT半导体存储器EXIT10.5.1RAM的结构、类型和工作原理地址译码器存储矩阵读/写控制电路2nmRAM的结构图A0A0An-1………I/O0I/O1I/Om-1R/WCSEXIT半导体存储器EXIT10.5.1RAM的结构、类型和工作原理１．存储矩阵将存储单元按阵列形式排列，形成存储矩阵。２．地址译码器为了区别不同的字，将存放在同一个字的存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。地址的选择是借助于地址译码器来完成的。地址码的位数n与可寻址数N之间的关系为：N=2n。３．片选与读/写控制电路（I/O电路）RAM主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路（I/O电路）三部分组成。EXIT半导体存储器EXIT256×1位RAM示意图X地址译码器Y地址译码器1,1A0A1A2A3X0(行)X15T0T0'T15'Y0(列)•••Y15A4A5A6A7位线行存储矩阵I/O电路G1DG4G5G2I/OR/W&D1ENCS16,1列1,16T15位线16,161EN1EN&G3••••EXIT半导体存储器EXITRAM与ROM的比较相同处★都含有地址译码器和存储矩阵★寻址原理相同相异处★ROM的存储矩阵是或阵列，是组合逻辑电路。ROM工作时只能读出不能写入。掉电后数据不会丢失。★RAM的存储矩阵由触发器或动态存储单元构成，是时序逻辑电路。RAM工作时能读出，也能写入。读或写由读/写控制电路进行控制。RAM掉电后数据将丢失。EXIT半导体存储器EXITRAM分类静态RAM(即StaticRAM，简称SRAM)动态RAM(即DynamicRAM，简称DRAM)DRAM存储单元结构简单，集成度高，价格便宜，广泛地用于计算机中，但速度较慢，且需要刷新及读出放大器等外围电路。DRAM的存储单元是利用MOS管具有极高的输入电阻，在栅极电容上可暂存电荷的特点来存储信息的。由于栅极电容存在漏电，因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新。SRAM存储单元结构较复杂，集成度较低，但速度快。EXIT半导体存储器EXIT基本R-S触发器１．MOS静态存储单元存储单元六管CMOS静态存储单元VDD••DDTjTj'YjT1T3QQT5T2T4T6Xi位线位线当地址码使得Xi和Yj均为高电平时，表示选中该单元，即可以对它进行读写操作。由于数据由触发器记忆，只要不断电，信息就可以永久保存。采用CMOS管，所以静态功耗极小。EXIT半导体存储器EXIT单管NMOS动态存储单元•xiTCSC0D位线由一个门控管T和一个存储信息的电容CS组成。由于分布电容C0＞＞CS，所以位线上