半导体存储器和可编程逻辑器件

第7章半导体存储器和可编程逻辑器件7.1概述1.大规模集成电路分类（1）半导体存储器半导体存储器是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分之一。它用于存放二进制信息，主要以半导体器件为基本存储单元，用集成工艺制成。每一片存储芯片包含大量的存储单元，每一个存储单元由唯一的地址代码加以区分，并能存储一位或多位二进制信息。（2）可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）（3）微处理器可编程逻辑器件是20世纪70年代后期发展起来的一种功能特殊的大规模集成电路，它是一种可以由用户定义和设置逻辑功能的器件。特点：结构灵活、集成度高、处理速度快、可靠性高微处理器主要指通用的微处理机芯片，它的功能由汇编语言编写的程序来确定，具有一定的灵活性。但该器件很难与其他类型的器件直接配合，应用时需要用户设计专门的接口电路。微处理器是构成计算机的主要部件。目前除用作CPU外，多用于实时处理系统。2.PLD器件的连接表示方法固定连接可编程连接不连接（1）PLD器件的连接表示法（2）门电路表示法1AA1AAAA反向缓冲器ABC&FABC&F与门ABC≥1FABC≥1F或门（d）缓冲器（3）阵列图1A1B1C&&&&D=BCE=AABBCC=0F=AABBCC=0G=17.2半导体存储器7.2.1半导体存储器概述半导体存储器是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路。优点:集成度高、功耗小、可靠性高、价格低、体积小、外围电路简单、便于自动化批量生产等。1.半导体存储器的分类（1）按存取方式分类只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）ROM存放固定信息,只能读出信息,不能写入信息.当电源切断时,信息依然保留.RAM可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时把数据写入任何指定的存储单元.（2）按制造工艺分类双极型半导体存储器MOS型半导体存储器以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，如在计算机中用作高速缓冲存储器。以MOS触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统中，如在计算机中用作主存储器。2.半导体存储器的主要技术指标（1）存储容量指存储器所能存放的二进制信息的总量（2）存取时间一般用读（或写）周期来描述，连续两次读（或写）操作的最短时间间隔称为读（或写）周期。7.2.2只读存储器(ROM)按数据的写入方式分类固定ROM可编程ROM1.固定ROM（1）ROM的结构......A0A1An-1地址译码器存储阵列2n×mW0W1W2n-1F0F1Fm-1字线位线地址线1)地址译码器为二进制译码器,即全译码结构.(地址线为n根,译码器输出为2n根字线,说明存储阵列中有2n个存储单元)2)存储阵列输出有m根位线,说明每个存储单元有m位,即一个字有m位二进制信息组成.每一位称为一个基本存储单元.3)存储器的容量定义为:字数×位数(2n×m).（2）一个二极管ROM的例子A1A0F0F1F2F30001000110011001101100101A11A0&&&&W0W1W2W3F0F1F2F3位线字线①W0~W3为地址译码器的输出Wi=mi(mi为地址码组成的最小项）②当A1A0=00时，W0=1,F0F1F2F3=0100(一个字）；当A1A0=01时，W1=1,F0F1F2F3=1001(一个字）；当A1A0=10时，W2=1,F0F1F2F3=0110(一个字）；当A1A0=11时，W3=1,F0F1F2F3=0010(一个字）。③将地址输入和Fi之间的关系填入真值表得：地址数据A1A0F0F1F2F3000100011001100110110010F0=A1A0F1=A1A0+A1A0F2=A1A0+A1A0F3=A1A0ROM实际是一种组合电路结构。④阵列图与阵列：表示译码器。或阵列：表示存储阵列。存储容量为：4×4地址数据A1A0F0F1F2F30001000110011001101100101A11A0&&&&≥1≥1≥1≥1F0F1F2F3m0m1m2m32.可编程ROM用户可根据需要自行进行编程的存储器.一次性可编程ROM（ProgrammableReadOnlyMemory，PROM）光可擦除可编程ROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM）电可擦除可编程ROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory，E2PROM）快闪存储器（FlashMemory）位线字线编程为一次性的,烧断的熔丝不能再接上.当在该位上需要存0时,通过编程,烧断熔丝;当需存1时,保留熔丝.（1）一次性可编程ROM（PROM）PROM的结构图（2）光可擦除可编程ROM（EPROM）EPROM是一种可以多次擦除和改写内容的ROM。它与PROM的总体结构相似，只是采用了不同的存储单元。1）浮栅注入MOS管（FAMOS管）存储单元采用两只MOS管缺点：集成度低、击穿电压高、速度较慢层叠栅存储单元2）叠层栅注入MOS管（SIMOS管）叠层栅MOS管剖面示意图控制栅与字线相连，控制信息的读出和写入浮栅埋在二氧化硅绝缘层，处于电“悬浮”状态，不与外部导通，注入电荷后可长期保存1信息：出厂时所有存储单元的浮栅均无电荷，可认为全部存储了1信息。0信息：在SIMOS管的漏极和源极（地）之间加上较高的电压（约25V），形成雪崩击穿现象，产生大量高能电子。同时在控制栅极上加高压正脉冲（50ms，25V），则在控制栅正脉冲电压的吸引下，部分高能电子将穿过二氧化硅层到达浮栅，被浮栅俘获，浮栅注入电荷，注入电荷的浮栅可认为写入0。信息写入栅极加+5V电压，该SIMOS管不导通，只能读出所存储的内容，不能写入信息。正常工作信息擦除紫外线照射SIMOS管时，浮栅上的电子形成光电流而泄放，又恢复到编程前的状态，即将其存储内容擦除。常用的EPROM集成芯片Intel2716（2K×8位）、2732（4K×8位）、2764（8K×8位）、27128（16K×8位）、27256（32K×8位）实际中，EPROM芯片的编程和擦除操作是使用专门的编程器和擦除器完成的。（3）电可擦除可编程ROM（E2PROM）特点：①编程和擦除均由电完成；②既可整片擦除，也可使某些存储单元单独擦除；③重复编程次数大大高于EPROM.E2PROM存储单元T2是门控管T1是浮栅隧道氧化层MOS管（简称Flotox管）Flotox管剖面示意图1状态：令Wi=1、Yj=0，则T2导通，T1漏极D1接近0电平，然后在擦写栅G1加上21V正脉冲，就可以在浮栅与漏极区之间的极薄绝缘层内出现隧道，通过隧道效应，使电子注入浮栅。0状态：擦写栅接0电平、Wi=1、Yj加上21V正脉冲，使T1漏极获得大约+20V的高电压，则浮栅上的电子通过隧道返回衬底，则浮栅上就没有注入电子，定义为0状态。信息写入根据浮栅上是否注入电子来定义0和1状态浮栅注入电子是利用隧道效应进行的。信息读出读出1：擦写栅加+3V电压，字线加+5V正常电平，这时T2管导通，若浮栅上有注入电子，则T1不能导通，在位线上可读出1.读出0:若浮栅上没有注入电子，则T1导通，在位线上可读出0。擦写栅和待擦除单元的字线上加21V的正脉冲，漏极接低电平，即可使存储单元回到写入0前的状态，完成擦除操作。早期E2PROM芯片都需用高电压脉冲进行编程和擦写，由专用编程器来完成。但目前绝大多数E2PROM集成芯片都在内部设置了升压电路，使擦、写、读都可在+5V电源下进行，不需要编程器。信息擦除（4）快闪只读存储器（FlashMemory）快闪只读存储器是在吸收E2PROM擦写方便和EPROM结构简单、编程可靠的基础上研制出来的一种新型器件，它是采用一种类似于EPROM的单管叠栅结构的存储单元制成的新一代用电信号擦除的可编程ROM。快闪存储器存储单元叠栅MOS管剖面示意图1状态：浮栅未注入电子，相当于存储1。0状态：利用雪崩注入的方法使浮栅充电，相当于存储0；信息写入与EPROM相同读出1：反之，若浮栅上有注入电子，叠栅MOS管截止，位线输出高电平。读出0:令Wi=1，Vss=0，若浮栅上没有注入电子，则叠栅MOS管导通，位线输出低电平；注入电子，则T1导通，在位线上可读出0。信息读出信息擦除快闪只读存储器的擦除方法与E2PROM类似，是利用隧道效应来完成的。在擦除状态下，控制栅G处于0电平，源极加入高压脉冲（12V），在浮栅与源区间很小的重叠区域产生隧道效应，使浮栅上的电荷经隧道释放。3.PROM的应用1)实现组合逻辑函数用PROM实现组合逻辑函数,实际上是利用PROM中的最小项,通过或阵列编程,达到设计目的.F1(A,B,C)=Σm(1,5,6,7)F2(A,B,C)=Σm(0,1,3,6,7)F3(A,B,C)=Σm(3,4,5,6,7)例:用PROM实现逻辑函数:1A&&&&≥1≥1≥1F1F2F31B1C&&&&m0m1m2m3m4m5m6m72)存放数据表和函数表:例如三角函数、对数、乘法等表格。3）存放调试好的程序。*2）、3）是PROM的主要用途。7.2.3随机存取存储器(RAM)RAM可以随时从任一指定地址读出数据,也可以随时把数据写入任何指定的存储单元.RAM在计算机中主要用来存放程序及程序执行过程中产生的中间数据、运算结果等.RAM按工艺分类：1）双极型；2）场效应管型。场效应管型分为：1）静态；2）动态。1.RAM的结构......A0A1An-1地址译码器存储矩阵W0W1W2n-1字线地址线读写/控制电路读写/控制(R/W)片选(CS)数据输入/输出(I/O)ENEN11I/ODR/W当片选信号CS无效时,I/O对外呈高阻;当片选信号CS有效时,由R/W信号决定读或写,根据地址信号,通过I/O输出或输入.(I/O为双向三态结构)2.RAM的存储单元（1）SRAM基本存储单元(以六管NMOS静态存储单元为例)XiYjI/OI/OVCCQQT6T4T3T1T2T5T7T8位线Bj位线Bj存储单元11I/OI/OQQ（2）DRAM基本存储单元DRAM的基本存储电路由动态MOS基本存储单元组成。DMOS基本存储单元通常利用MOS管栅极电容或其它寄生电容的电荷存储效应来存储信息。电路结构（以单管动态存储单元为例）位线数据线(D)字选线TCSCD输出电容写信息：字选线为1，T导通，数据D经T送入CS.读信息：字选线为1，T导通，CS上的数据经T送入位线的等效电容CD.特点：1）当不读信息时，电荷在电容CS上的保存时间约为数毫秒到数百毫秒；2）当读出信息时，由于要对CD充电，使CS上的电荷减少。为破坏性读出。3）通常在CS上呈现的代表1和0信号的电平值相差不大，故信号较弱。结论：1）需加刷新电路；2）输出端需加高鉴别能力的输出放大器。3）容量较大的RAM集成电路一般采用单管电路。4）容量较小的RAM集成电路一般采用三管或四管电路。多管电路结构复杂，但外围电路简单。3.RAM容量的扩展VCCA8R/WCSGND191018Intel2114A9A7A5A4A6A0A1A3A2I/O1I/O2I/O3I/O4（1）RAM的位扩展I/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1…CSR/WI/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1…CSR/W…A0A1A9R/WCSI/O1I/O2I/O3I/O4I/O4I/O5I/O6I/O7将2114扩展为1K×8位的RAM（2）RAM的字扩展I/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1…CSR/WI/O1I/O2I/O3I/O4A9A0A1…CSR/W…A0A1A9R/WI/O1I/O2I/O3I/O411-2译码器A10将2114扩展为2K×4位的RAM7.3可编程逻辑器件(PLD)7.3.1PLD概述数字逻辑器件分类(按照逻辑功能的特点分