第七章半导体存储器.

第七章半导体存储器内容提要本章将系统地介绍各种半导体存储器的工作原理和使用方法。半导体存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。在只读存储器中，介绍了掩模ROM、PROM和快闪存储器等不同类型的ROM的工作原理和特点；而在随机存储器中，介绍了静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种类型。此外，也介绍了存储器扩展容量的连接方法以及用存储器设计组合逻辑电路，重点放在这里。本章内容7.1概述7.2只读存储器（ROM）7.3随机存储器（RAM）7.4存储器容量的扩展7.5用存储器实现组合逻辑函数7.1概述1.半导体存储器的定义半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作二值数据）的半导体器件。它是属于大规模集成电路，由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数据，因此存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，其组成框图如图7.1.1所示。输入/出电路I/O输入/出控制图7.1.12.存储器的性能指标由于计算机处理的数据量很大，运算速度越来越快，故对存储器的速度和容量有一定的要求。所以将存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指标。目前动态存储器的容量已达109位/片，一些高速存储器的存取时间仅10ns左右。7.1概述3.半导体存储器的分类（1）从存取功能上分类从存取功能上可分为只读存储器（Read－OnlyMemory，简称ROM）和随机存储器（RandomAccessMemory，简称RAM）。ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速随时修改或重新写入数据。其电路结构简单，而且断电后数据也不会丢失。缺点是只能用于存储一些固定数据的场合。7.1概述a.ROM：ROM可分为掩模ROM、可编程ROM（ProgrammableRead－OnlyMemory，简称PROM）和可擦除的可编程ROM（ErasableProgrammableRead－OnlyMemory，简称EPROM）。*掩模ROM在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据写入存储器中，一旦ROM制成，其存储的数据就固定不变，无法更改。***EPROM是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据不但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需要通用或专用的编程器，其擦除为照射擦除，为一次全部擦除。电擦除的PROM有E2PROM和快闪ROM。7.1概述**PROM在出厂时存储内容全为1（或者全为0),用户可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将某些单元改写为0(或为1)。**PROM在出厂时存储内容全为1（或者全为0),用户可根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将某些单元改写为0(或为1)。b.随机存储器RAM（读写存储器）随机存储器为在正常工作状态下就可以随时向存储器里写入数据或从中读出数据。根据采用的存储单元工作原理不同随机存储器又可分为静态存储器（StaticRandomAccessMemory，简称SRAM）和动态存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称DRAM）7.1概述SRAM的特点是数据由触发器记忆，只要不断电，数据就能永久保存。但SRAM存储单元所用的管子数量多，功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺点，则产生了DRAM。它的集成度要比SRAM高得多，缺点是速度不如SRAM。（2）从制造工艺上分类RAM使用灵活方便，可以随时从其中任一指定地址读出（取出）或写入（存入）数据，缺点是具有数据的易失性，即一旦失电，所存储的数据立即丢失。从制造工艺上存储器可分为双极型和单极型（CMOS型），由于MOS电路（特别是CMOS电路），具有功耗低、集成度高的优点，所以目前大容量的存储器都是采用MOS工艺制作的。7.1概述7.2只读存储器（ROM）7.2.1掩模只读存储器在采用掩模工艺制作ROM时，其中存储的数据是由制作过程中使用的掩模板决定的，此模板是厂家按照用户的要求专门设计的，因此出厂时数据已经“固化”在里面了。1.ROM的组成：ROM电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个部分，其框图如图7.2.1所示。图7.2.1a.存储矩阵存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元可以是二极管、双极型三极管或MOS管，每个单元能存放1位二值代码（0或1)，而每一个或一组存储单元有一个相应的地址代码。图7.2.17.2.1掩模只读存储器b.地址译码器b.地址译码器c.输出缓冲器输出缓冲器的作用提高存储器的带负载能力，另外是实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线相联。地址译码器是将输入的地址代码译成相应的控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器图7.2.17.2.1掩模只读存储器2.二极管ROM电路7.2.1掩模只读存储器图7.2.2是具有2位地址输入码和4位数据输出的ROM电路。其地址译码器是由4个二极管与门构成，存储矩阵是由二极管或门构成，输出是由三态门组成的。图7.2.2其中：地址译码器是由4个二极管与门组成，A1、A0称为地址线，译码器将4个地址码译成W0～W34根线上的高电平信号。W0～W3叫做字线。图7.2.27.2.1掩模只读存储器存储矩阵是由4个二极管或门组成的编码器，当W0～W3每根线分别给出高电平信号时，都会在D0～D34根线上输出二进制代码，D0～D3称为位线（或数据线）。7.2.1掩模只读存储器A0~An-1W0W(2n-1)字线位线输出端的缓冲器用来提高带负载能力，并将输出的高低电平变换成标准的逻辑电平。同时通过给定EN信号实现对输出的三态控制，以便与总线相联。在读出数据时，只要输入指定的地址代码，同时令EN＝0,则指定的地址内各存储单元所存数据便出现在数据输出端。7.2.1掩模只读存储器图7.2.2的存储的内容见表7.2.1地址A1A0数据D3D2D1D0000110110101101101011100表7.2.1译码输出W0W1W2W31000010000100001图7.2.27.2.1掩模只读存储器7.2.1掩模只读存储器图7.2.3也可以用简化画法。凡是有二极管的位置，均用交叉点“.”表示，并且省略电阻、输出缓冲器和电源等符号，如图7.2.4所示。A1A1A0A0W0W1W2W3D3D2D1D0图7.2.4二极管掩模ROM的简化画法图7.2.2注：a.通常将每个输出的代码叫一个“字”（WORD），W0~W1为字线，D0~D3为位线，其相交叉的点就是一个存储单元，其中有二极管的相当于存1,没有二极管相当于存0.因此交叉点的数目即为存储单元数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储量（或称为容量）即b.二极管ROM的电路结构简单，故集成度可以做的很高，可批量生产，价格便宜。c.可以把ROM看成一个组合逻辑电路，每一条字线就是对应输入变量的最小项，而位线是最小项的或，故ROM可实现逻辑函数的与－或标准式。7.2.1掩模只读存储器存储容量＝字数×位数如上述ROM的存储量为4×4＝16位。A1A1A0A0W0W1W2W3D3D2D1D0图7.2.4二极管掩模ROM的简化画法(2)由CMOS构成利用MOS工艺制成的ROM，其译码器、存储矩阵和输出缓冲器全部采用MOS管。图7.2.5只给出存储矩阵的原理图。存储的数据与表7.2.1相同。图7.2.57.2.1掩模只读存储器由图中可以看出，字线和位线的交叉点，接MOS管的相当于存1,没有的相当于存0.当某根字线为高电平时，接在其上的MOS导通，其位线为低电平，通过三态非门后，输出数据为1.7.2.1掩模只读存储器图7.2.5掩模ROM的特点：出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产简单，便宜，非易失性7.2.1掩模只读存储器7.2.2可编程只读存储器（PROM）在开发数字电路新产品的工作过程中，或小批量生产产品时，由于需要的ROM数量有限，设计人员经常希望按照自己的设想迅速写入所需要内容的ROM。这就出现了PROM－－可编程只读存储器。PROM的整体结构和掩模ROM一样，也有地址译码器、存储矩阵和输出电路组成。但在出厂时存储矩阵的交叉点上全部制作了存储单元，相当于存入了1.如图7.2.6所示在图7.2.6中，三极管的be结接在字线和位线之间，相当于字线和位线之间的二极管。快速熔断丝接在发射极，当想写入0时，只要把相应的存储单元的熔断丝烧断即可。但只可编写一次图7.2.6图7.2.7为16×8位的PROM结构原理图。写入时，要使用编程器7.2.1可编程只读存储器（PROM）图7.2.7由此可见PROM的内容一旦写入则无法更改，只可以写一次，为了能够经常修改存储的内容，满足设计的要求，需要能多次修改的ROM，这就是可擦除重写的ROM。这种擦除分为紫外线擦除（EPROM）和电擦除E2PROM，及快闪存储器（FlashMemory）。7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）一、EPROM（Ultra－VioletErasableProgrammableRead－OnlyMemory，简称UVEPROM）EPROM和前面的PROM在总体结构上没有大的区别，只是存储单元不同，采用叠栅注入MOS管（Stacked－gateInjuctionMetal－Oxide－Semiconductor，简称SIMOS）做为存储单元。7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）1.采用叠栅技术的MOS管－SIMOS图7.2.8为SIMOS的结构原理图和符号。它是一个N沟道增强型MOS管，有两个重叠的栅极－－控制栅GC和浮置栅Gf。控制栅GC用于控制读写，浮置栅Gf用于长期保存注入的电荷。浮置栅控制栅::fcGG图7.2.8浮置栅控制栅::fcGG图7.2.87.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）当浮置栅上没注入电荷时，在控制栅上加上正常电压时能够使漏源之间产生导电沟道，SIMOS管导通。但当浮置栅注入负电荷以后，必须在控制栅上加更高的电压，才能抵消浮置栅上负电荷形成导电沟道，故SIMOS管在栅极加正常电压时是不会导通的。2.工作原理由SIMOS管构成的存储单元如图7.2.9所示。VDDiWjDGCGf图7.2.10由SIMOS管构成的存储单元7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）当设计人员想写入“1”时，首先应在漏－源之间加较高的电压（20V～25V），发生雪崩击穿。同时在控制栅上加以高压脉冲（25V/50ms),在栅极电场的作用下，浮置栅上注入电荷。此时Gc加正常高电平时，SIMOS截止，Dj＝1,而浮置栅未注入电荷，Gc加正常高电平时SIMOS导通，Dj＝0.即写1的操作就是对浮置栅的充电操作。SIMOS管的EPROM用紫外线擦除，再写入新的数据。年）光灯下分钟（阳光下一周，荧紫外线照射的泄放通道空穴对，提供浮栅电子生电子“擦除”：通过照射产”相当于写入“形成注入电荷到达过电子穿宽的正脉冲，吸引高速上加同时在发生雪崩击穿）间加高压（“写入”：雪崩注入330~201,,50,25,25~20,2fcGSiOmsVGVSD7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）VDDiWjDGCGf图7.2.10由SIMOS管构成的存储单元常用的EPROM有2716(2K×8)、2732(4K×8)、2764（8K×8)等，型号后面的几位数表示的是存储容量，单位为K。二、E2PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead－OnlyMemory，简写为E2PROM）7.2.3可擦除的可编程只读存储器（EPROM）虽然紫外线擦除的EPROM具有重写功能，但擦除操作复杂，速度慢。为了祢补这些不足，则产生了用电信号擦除的PROM就是E2PROM。E2PROM的存储单元采用浮栅隧道氧化层MOS管，简称Flotox管，其结构图和符号如图7.2.11所示。图7.2.11Flotox的结构与SIMOS管相似，也是N沟道MOS管，也有两个栅极－－控制栅Gc和浮置栅Gf。不同的是Flotox管的浮置栅和漏区之间有个氧化层极