第七章 半导体存储器

第七章半导体存储器本章内容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。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。a.ROM：ROM可分为掩模ROM可编程ROM（ProgrammableRead－OnlyMemory，简称PROM）可擦除的可编程ROM（ErasableProgrammableRead－OnlyMemory，简称EPROM）。b.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）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。7.2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，其框图如图所示。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。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。2.二极管ROM电路具有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。地址数据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110A0~An-1W0W(2n-1)D0Dm字线位线简化画法: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A1A¢1A0A¢0W0W1W2W3D3D2D1D0图7.2.4二极管掩模ROM的简化画法注：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。存储容量＝字数×位数如上述ROM的存储量为4×4＝16位。3.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管地址数据A1A0D3D2D1D0000101011011100100111110接MOS管的相当于存1,没有的相当于存0.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7.2.2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，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.（熔断型）或者0（击穿型）字线位线写是一次性编程，不能改!编程时将不用的熔断!有出厂时，每个结点上都熔丝由易熔合金制成写入要用编程器：输入要写入0的地址，使VCC和选中的字线处于编程要求的高电平，并在写入单元的位线上加入编程高电平脉冲，使AW输出低电平。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。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。1.采用叠栅技术的MOS管－SIMOSN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浮置栅控制栅::fcGG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所示。VDDiWjDGCGf图7.2.10由SIMOS管构成的存储单元“写入”：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)，吸引高速电子穿过SiO2，浮置栅上注入负电荷。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。“擦除”：通过照射产生电子-空穴对，提供浮置栅电子的泄放通道。紫外照射20-30分钟（阳光下一周，荧光灯下3年）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。总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同)(管浮栅隧道氧化层采用点擦除慢，操作不便的缺为克服MOSFLOTOXUVEPROM82721010/fGDSiOmVcm与之间有小的隧道区，厚度当电场达到一定大小（），电子会穿越隧道“隧道效应”，向浮栅注入负电荷选通管存储管二、电可擦除的可编程ROM（E2PROM）fjCiG漏区电子经隧道区接0,B正脉冲，加20V,10ms的G,W充电(写入1)：上电荷经隧道区放电G加正脉冲，B,接0，WG放电(写入0)：fjiC上读出1（高电平）。在位线B截止，电压（3V）下TG充电荷后，在正常读出G上读出0（低电平）。在位线B导通，电压（3V）下T出G未充电荷时，在正常读工作原理：j1Cfj1C注：虽然E2PROM改用电信号擦除，但由于擦除和写入需要加高电压脉冲，且擦除和写入的时间仍然较长，所以正常工作只做ROM用。三、快闪存储器（FlashMemory）其结构和EPROM中的SIMOS管相似，只是浮置栅和衬底之间的氧化层的厚度不同，快闪存储器中的此厚度很薄，仅为10～15nm，以及另外一些特殊的制造技术。快闪存储器即吸收了EPROM的结构简单、编程可靠的优点，也保留了E2PROM擦除的快捷特性，为提高集成度，省去T2（选通管）。改用叠栅MOS管（类似SIMOS管）5V0VGf与S区有极小的重叠区（隧道区）5V0V的正脉冲，加接），加正压（，充电利用雪崩注入方式向工作原理：usVGVVSDGcssf101206*上电荷经隧道区放电的正脉冲加放电，利用隧道效应fsscfGnsVVGG100120,,快闪存储器（FlashMemory）的应用自从20世纪80年代末期，快闪存储器问世以来，便以其高集成度、大容量、低成本和使用方便等优点而引起普遍关注，它不仅取代了以前普遍使用的软磁盘，而且有可能在不久的将来取代较大容量的硬磁盘（PC机硬盘）。利用快闪存储器的存储产品：U盘，固态硬盘，快闪存储卡(如，sd卡，需要驱动电路)目前由于固态硬盘昂贵的价格，市场上无法全面普及于民用。广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。但仍然无法阻挡其远大的前景。固态硬盘的优点：1.启动快，没有电机加速旋转的过程2.读取延迟小:不用磁头，快速随机读取，读延迟极小。根据相关测试：两台电脑在同样配置的电脑下，搭载固态硬盘的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒，而搭载传统硬盘的笔记本总共用了31秒，两者几乎有将近一半的差距3.无噪音:因为没有机械马达和风扇，工作时噪音值为0分贝。某些高端或大容量产品装有风扇，因此仍会产生噪音4.不会发生机械故障:内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，碰撞、冲击、振动。5.体积小重量轻固态硬盘的缺点：1.成本高，每单位容量价格是传统硬盘的5~10倍，甚至200~300倍（基于DRAM）2.容量低：目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘3.写入寿命有限4.数据难以恢复：一但芯片发生损坏，要想在碎成几瓣或者被电流击穿的芯片中找回数据那几乎就是不可能的。7.3随机存储器（RAM）随机存储器也叫随机读/写存储器，即在RAM工作时，可以随时从任一指定的地址读出数据，也可随时将数据写入指定的存储单元。其特点是：读、写方便，使用灵活。缺点是：存入的数据易丢失（即停电后数据随之丢失）。分类：静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。7.3.1静态随机存储器（SRAM）一、SRAM的结构和工作原理SRAM电路一般由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路（也叫输入/输出电路）三部分组成其中：*存储矩阵：它是由许多存储单元排列而成，每个存储单元都能存储1位二值数据（1或0)，在译码器和读/写电路的控制下，即可写入数据，也可读出数据。