存储器和CPLD(新编教材)

（王艳丹）24-1624.2半导体存储器半导体存储器能够存放大量二值信息，可用于存放数据、资料程序等。半导体按其内容的存取方式的不同，可分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。只读存储器的存储内容是固定的，工作时只能读出，不能改变，用于存储程序。随机存储器又称读写存储器，其任何一个存储单元的内容都可随时更改与读出，而且存取时间与存储单元的物理位置无关，用于存储数据。RAM和ROM又可根据内部结构的不同分为图24.2.1所示的各种类型。图24.2.1半导体存储器的类型此外，按半导体制造工艺的不同，半导体存储器还可分为双极型（TTL）半导体存储器和MOS半导体存储器两种。前者具有高速的特点，后者具有功耗低、集成度高等特点，并且制造简单，成本低廉，故MOS半导体存储器被广泛应用。本节主要介绍图24.2.1所示的各种半导体存储器的结构和原理，并简单介绍集成半导体存储器的使用方法和应用。24.2.1只读存储器（ROM）只读存储器可分为固定只读存储器和可编程只读存储器。早期只读存储器将用户要求的存储内容写入到芯片中，一旦制成后无法更改，这种只读存储器叫做掩膜型只读存储器（MaskedROM，简称MROM）。随着半导体技术的发展和用户需求的变化，只读存储器先后派生出可一次编程的只读存储器（ProgrammableROM，简称PROM）、可紫外光擦除可编程只读存储器（Ultra-VioletErasableProgrammableROM，简称UVEPROM）以及可电擦除可编程的只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableROM，简称E2PROM），近年来还出现了快闪存储器（FlashMemory），快闪存储器具有E2PROM的特点，而速度比E2PROM快得多。1.掩膜只读存储器图24.2.2ROM的结构框图（王艳丹）24-17半导体存储器由存储矩阵、地址译码器和输出缓冲电路三个组成部分，其结构框图如图24.2.2所示。半导体存储器的地址由字线和位线确定：如果把半导体存储器比作旅馆的客房的话，字线好比房间号，位线好比床位号。每一个地址对应着一条字线和一条位线，即一个固定的存储单元。存储器的存储容量用“字数位数”表示。如某存储器的容量为“20488”，表明该存储器的字数为2048个，每个字8位（bit），即2048个8位二进制数码（D7~D0）。图24.2.3所示的电路为一个二极管44ROM，即该存储器可存储4个字，每个字4bit。图24.2.3所示的ROM有两位地址A1和A0，这两位地址的电位状态有4种组合，地址译码器通过这4种组合分别使四条字线W3~W0为高电平。例如，当A1A0=11时，由图24.2.3可知：二极管D1、D2、D3和D6的阴极为高电平，处于截止状态，二极管D4、D5、D7和D8的阴极为低电平，处于导通状态，所以只有字线W3为高电平，其他三条字线为低电平。同理，当A1A0=10时，只有字线W2为高电平；当A1A0=01时，只有字线W1为高电平；当A1A0=00时，只有字线W0为高电平。由此可见，地址译码器的每一条输出的字线对应着输入变量（即地址码）的一个昀小项，因此，习惯上将地址译码器称为AND（与）阵列。图24.2.3二极管ROM示意图图24.2.3的存储矩阵由字线Wi与位线Bj（图中横线）交叉组合而成，字线与位线的交叉点为一个存储单元。在二极管存储矩阵中，当某字线与某位线间接有二极管时，则当该字线为高电平时，该存储单元的二极管导通，位线为高电平，因此位线与字线的逻辑关系是或，接有二极管的存储单元相当于存入数码1，而没有接二极管的存储单元相当于存入数码0。图24.2.3所示存储矩阵的位线与字线和地址线的关系为：0133AAWB0101212AAAAWWB（王艳丹）24-180101201AAAAWWB0101010132100AAAAAAAAWWWWB可见，位线的输出为输入变量（地址）昀小项之和。因此存储矩阵又称为OR（或）阵列。图22.2.3所示ROM的输入（地址）与输出数据的关系（即真值表）如表22.2.1所示。表24.2.1ROM（图22.2.2）的真值表地址字线数据A1A0W3W2W1W0D3D2D1D00011010100010010010010000001011010101111在图24.2.3中，三态输出缓冲器的作用：用EN端的允许读出命令对控制数据何时输出；信号通过输出缓冲器可提高带负载的能力。在集成电路中，为提高输出带负载能力而增加的门称为缓冲器。只读存储器的存储单元除了用二极管构成外，还可以采用晶体三极管或场效应管构成。图24.2.4所示为以双极性晶体管为存储单元的存储矩阵，有晶体管的单元当字线为高电平时，晶体管饱和导通位线为低电平，再经三态非门输出数据“1”；无晶体管的单元存储“0”。图24.2.5所示的为以MOS管为存储单元的存储矩阵，同理，有MOS管的单元存储数据“1”；无MOS管的单元存储“0”。固定只读存储器的内容不能修改，灵活性差，但使用时可靠性高，生产成本低，主要用于定型的批量生产的产品中，用于存放固定不变的程序、常数。如特殊的波形、汉字字库、计算机BIOS程序，甚至用于操作系统的固化等等。图24.2.4用双极性晶体管构成的存储矩阵（王艳丹）24-19图24.2.5用MOS管构成的存储矩阵2.一次编程只读存储器一次编程只读存储器称为可编程只读存储器（ProgrammableROM，简称RROM）。RROM与固定ROM的区别在于：PROM的存储矩阵的所有存储单元在制造时均存入了数字1或0，用户在使用时根据需要可将某些单元改写为0或1，这个过程称为编程。PROM有双极型和MOS型两种。双极型的PMOS又分为熔丝型和结破坏型两种，其存储单元的示意图分别如图24.2.6(a)、(b)所示。图24.2.6PROM的存储单元(a)熔丝型(b)结破坏型由图24.2.6(a)可见，熔丝型PROM的每个存储元都将相应的字线和位线通过晶体三极管相连，即相当于所有的存储单元都存入了数据“1”。若用户想把某些存储单元的内容改写为0，可通过专用的编程设备（可参阅参考文献[4]）将这些存储单元的的晶体三极管Tij发射极的熔丝熔断，则字线与位线断开，相当于存入了0。图24.2.6(b)可见，结破坏型PROM在每个存储元的字线和位线交界处制出一对阴极相连的二极管，因此，字线和位线制造好后是不通的，因此所有存储单元均存入“0”。若用户想把某些存储单元的内容改写为1，可通过专用的编程设备，按位从外部通入一个较大的电流，将这些存储单元的的反向二极管击穿，使其字线与位线接通，存入的数据改写为1。由于以上两种电路，不管是将熔丝烧断，还是将反向二极管击穿，电路内部均不可能再恢复到原始状态，所以只能进行一次编程。（王艳丹）24-203.可重新写入的只读存储器可重新写入的只读存储器（ErasableProgrammableROM，简称EPROM）可由用户重复多次编程。适合于系统开发时使用。EPROM有两种擦除方式，一种用光（紫外线）擦除（Ultra-VioletErasableProgrammingROM，缩写UVEPROM，简称EPROM），另一种是用电的方法擦除（ElectricallyErasableProgrammingROM，简称E2PROM），近几年发展起来的快闪存储器（FlashMemory）为新一代电擦除存储器。各种EPROM的总体结构形式与PROM相同，不同的是存储单元。（1）可光擦除的可编程只读存储器（UVEPROM）UVEPROM在出厂时全部置“0”或“1”。图24.2.7所示为初始值置“0”的UVEPROM的基本存储单元。图中的EPROM管为叠栅注入MOS管（Stacked-gateInjuctionMetal-Oxide-Semiconductor，简称SIMOS）的结构如图24.2.8所示。SIMOS管为有两个重叠栅极的N沟道增强型MOS管。这两个重叠栅极一个有引线的称为控制栅（Gc），一个浮空的栅极称为浮置栅（Gf）。浮置栅与衬底之间的氧化层的厚度为30~40nm。图24.2.7UVEPROM的存储单元图24.2.8SIMOS管的结构示意图在制造好时，EPROM管的浮置栅上没有电荷，当在控制栅GC和源极S之间加正常高电压时，D和S之间形成导电沟道，EPROM管导通，故从存储单元读出的内容为0。要改变读出的内容，需在漏极D和源极S之间加上25V的高压、另外加上50ms的编程脉冲，则所选中的存储单元的D和S之间被瞬时击穿，就会有电子通过绝缘层注入到浮置栅，当高压电源去除后，因为浮置栅被绝缘层包围，注入的电子无处泄漏。这样当在控制栅GC和源极S之间加正常高电压时，D和S之间不能形成导电沟道，EPROM管不通，故从存储单元读出的内容为1。在UVEPROM芯片的上方有一个石英玻璃的窗口，用紫外线通过这个窗口照射，经过20~30分钟，所有电路中的浮空硅栅上的电荷会形成光电流泄漏走，使电路恢复起始状态，从而把写入的信号擦去，可以实现重写。UVEPROM擦洗时，是将整个芯片原存的全部信息都擦去。平时必须在窗口上贴不透明胶纸，以防光线进入而造成信息流失。由于UVEPROM价格便宜，擦洗方便，目前得到更普遍的应用。（2）可电擦除的可编程只读存储器（E2PROM）E2PROM是近年来被广泛使用的一种只读存储器，被称为电擦除可编程只读存储器，有时也写作EEPROM。图24.2.9所示为初始值置“0”的E2PROM的基本存储单元，由选通管T1和存储管T2组成。T2管为浮栅氧化层MOS管（Floting-gateTunnelOxide，简称Flotox管），其结构如图24.2.10所示。Flotox管的结构与SIMOS管相似，但其浮置栅与漏区之间存在一个极薄的氧化层（20nm），称为隧道区。浮置（王艳丹）24-21栅与漏区间的电容比浮置栅与控制栅之间的电容小很多。当在控制栅和漏极之间加电压时，大部分电压加在浮置栅和源极之间。当隧道区的电场强度2107V/cm时，漏区和浮置栅之间存在导电通道，电子可以双向通过，形成电流，这种现象称为隧道效应。图24.2.9E2PROM的存储单元图24.2.10Flotox管的结构示意图E2PROM的存储管在读出、擦除、写入三种状态下的各电极的电压如图24.2.11所示。读出时字线和位线所加电压如图24.2.11（a）所示，这时T1管导通，若T2的浮置栅上没有充入自由电子，字线和由于D、S导通，读出的值为0，若充入了自由电子，则读出的值为1。擦除时字线位线和控制极所加电压如图24.2.11（b）所示，这时T1管导通，T2管漏极的电位为0，所以在栅极与漏极之间加了20V的电压，产生隧道效应，释放浮置栅储存的自由电子。写入时字线位线和控制极所加电压如图24.2.11（c）所示，这时T1管导通，T2管漏极的电位为20V，栅极电位为0，所以在漏极与栅极之间加了20V的电压，产生隧道效应，浮置栅储存的自由电子通过隧道区放电，使存储管的开启电压降到0V左右。图24.2.11E2PROM存储单元的三种工作状态(a)读出(b)擦除（置1）(c)写入（置0）与EPROM相比，E2PROM不需要用紫外线照射，能在应用系统中进行在线改写，并能在断电的情况下保存数据。由于擦除和写入时仍需加高电压，而且擦、写时间仍较长，在正常工作情况下E2PROM工作在读出状态。（3）快闪存储器（FlashMemory）快闪存储器的存储单元仅由一个存储管构成，如图24.2.12所示（初始值为0）。存储管采用了图24.2.13所示的叠栅MOS管，其结构与EPROM的存储管SIMOS管相似，但其浮置栅与衬底间氧化层的厚度较薄，仅为10~15nm，浮置栅源区间的电容比浮置栅与控制栅之间的电容小很多。当在控制栅和源极之间加电压时，大部分电压加在浮置栅和源极之间。（王艳丹）24-22图24.2.12闪存的存储单元图24.2.13闪存存储管的结构示意图