第7 章 半导体存储器

2.工作原理 按组合电路进行分析。 存储矩阵是四个二极管或门；
二－四线 译码器
D 当EN=0时， i
Di
。
D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0 D2= W1= A1+A0
D1= D3 = A0 D0 = W1+ W0 = A1
真值表：
真值表与存 储单元有一 一对应关系
A1,A0的 四个最小 项
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预备知识
位：计算机只认识由0或1组成的二进制数，二进制数中的每 个0或1就是信息的最小单位，称为“位”（bit），也称为二进制 的位或称字位 字：在计算机中，作为一个整体单元进行存取和处理的一组二 进制数，每位计算机字的二进制数的位数是固定的。
字节：把一个8位的二进制数据单元称为一个字节，通常用字 母B表示。 字长：一个字中包含二进制数位数的多少称为字长，字长是标 志计算机精度的一项技术指标。 KB即为K字节 MB即为M字节 GB即为G字节 1K=210 =1024 B 1M=220 =1024 K 1G=230 =1024 M
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第七章 半导体存储器
第一节 概述 存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导 体器件。 用途：在计算机或数字系统中存储数据。 与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包含若干位。各个字 的相同位通过同一引脚与外界联系。每个字分配一个地址，因此内 部有地址译码器。
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分类： 只读存储器 ROM
掩模ROM 可编程ROM（PROM） (Programmable ROM) 可擦除可编程ROM （EPROM）
紫外线擦除
(Read- Only Memory)
按 功 能 只能读出不能 写入,断电不失 随机存储器 RAM
UVEPROM (Ultra-Violet) EEPROM (Electrically) Flash Memory
(Erasable PROM)
电可擦除
静态存储器SRAM (Random 快闪存储器 (Static RAM) Access 动态存储器DRAM 还可以按制造工艺 Memory) (Dynamic RAM) 分为双极型和MOS 型两种。 主要指标：存储容量、存取速度。 存储容量:用字数×位数表示，也可只用位数表示。如，某 4 动态存储器的容量为109位/片。
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EEPROM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单 元需两只MOS管。
快闪存储器就是针对 此缺点研制的。
（三）快闪存储器(Flash Memory）
采用新型隧道氧化 层MOS管。
•该管特点： 1.隧道层在源区； 2.隧道层更薄－－10～15nm。在控制栅和源极间加12V电 压即可使隧道导通。
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这是一种双译码方式， 行地址译码器和列地 址译码器共同选中一 个单元。每个字只有 一位。
（二）电可擦除 EPROM(EEPROM或E2ROM) 用紫外线擦除操作复杂， 速度很慢。必须寻找新的存 储器件，使得可以用电信号 进行擦除。 使用浮栅隧道氧化层MOS 管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)
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第四节 存储器容量的扩展 一、位扩展方式
例：用1024字×1位RAM构成1024字×8位RAM. 目标存储器容量 需要片数N=8 N= 已有存储器容量
方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和 读写信号）。输出并列。
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二、字扩展方式
例：用256字×8位RAM组成1024字×8位存储器。 需要片数N＝4 目标存储器容量 N= 特点：必须使用译码器。 已有存储器容量 字扩展图 各片地址分配情况：
第七章 半导体存储器 本章的重点：
1．存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特 点； 2．扩展存储器容量的方法； 3．用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。 因为存储器几乎都作成LSI器件，所以这一章的重点内容 是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程 的重点。
本章的难点：
在本章的重点内容中基本没有难点。
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•存储单元的工作原理：
1.写入利用雪崩注入法。源极接地； 漏极接6V；控制栅12V脉冲，宽10 s。 2.擦除用隧道效应。控制栅接地； 源极接12V脉冲，宽为100ms。 因为片内所有叠栅管的源极都连 在一起，所以一个脉冲就可擦除 全部单元。 3.读出：源极接地，字线为5V逻辑高 电平。 快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用 方便。已有64兆位产品问世。很有发展前途。
六管单元
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SRAM结构
1024字×4位（2114）
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（二）静态RAM的存储单元
1.六管NMOS静态存储单元 2.六管CMOS静态存储单元 3.双极型静态存储单元
六管NMOS
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*二、动态随机存储器DRAM 利用MOS管栅极电容可以暂存电荷的原理制成。因此， 存储单元简单，存储容量大。但栅极电容很小，由于漏电的 影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电－－刷 新、再生。这就需要外围电路配合。 这里只介绍四管动态存储单 元。 读出： 先加预充脉冲，使B 和B线充至VDD,再使X信 号有效，就可在B和B线 上得到要求的电平。 这也是刷新过程。 如果使Y信号也有 效，就能读出了。 写入： 跟静态存储器 类似。
输入变量
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不可编程
打点处有二极管
ROM的简化表示方法。
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注意读出和写入方法。
门控管
门控管
SRAM单元
六管静态存储单元
SRAM结构
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并联
并联
译 码 器
方法：片内地址信号并联；多余地址端 通过译码器接至各片的片选端；I/O同 名端并联。
字扩展
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存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器 的存取时间仅有10ns左右。 第二节 只读存储器ROM 一、掩模只读存储器
又称为固定ROM。工厂 按用户要求生产出来后， 用户不能改动。
1.ROM的构成 存储矩阵：由若干存储 单元排列成矩阵形式。 储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。 地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对 应的单元，把数据送往输出缓冲器。 输出缓冲器：增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和 系统的总线相连。 5
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16字×8位的PROM
十 六 条 字 线
读出时，读出 放大器AR工作，写 入放大器AW不工作。 写入时，在位 线输入编程脉冲使 写入放大器工作， 且输出低电平，同 时相应的字线和VCC 提高到编程电平， 将对应的熔丝烧断。
八 条 位 线
20V
编程脉冲 十几微秒 缺点：不能重复擦除。
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三、可擦除的可编程只读存储器 （EPROM） （一）紫外线擦除的只读存储器 （UVEPROM） 是最早出现的EPROM。通常说的 EPROM就是指这种。 1.使用浮栅雪崩注入MOS管 （Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，简称FAMOS管。） 写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较 高电压后（如-20V），漏极PN结雪崩击穿， 部分高速电子积累在浮栅上，使MOS管导通。 浮栅上电荷可长期保存－－在125℃环 境温度下，70%的电荷能保存10年以上。 擦除：用紫外线或X射线擦除。需20~30分钟。 存储单元如图。 缺点：需要两个MOS管；编程电压偏高；P沟道管的开关速 9 度低。
2.使用叠栅注入MOS管SIMOS (Stacked-gate Injuction MOS) 构造：
用N沟道管；增加控制栅。 SIMOS管原来可导通， 开启电压约为2V。
注入电荷：在DS间加高电压，同时在控制栅加25V、 50mS宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压 相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导通。 存储单元如下页图。256字X1位。已注入电荷的 SIMOS管存入的是1。
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5V 12V 0V 6V 0V 12V 100ms
10 s
第三节 随机存储器（RAM）
特点：RAM在工作时可随时对任意指定单元进行读或写操作。 使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。 分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种。也 可称为读写存储器。
一、静态随机存储器SRAM （一）RAM的结构 2114 1.存储矩阵 2.地址译码：双译码。 3.读写控制电路： 片选信号CS： 控制I/O端是否处在高阻状态。 读写控制信号R/ W： 控制电路处于读出还是写入状态。
000H 100H 200H 300H
0FFH 1FFH 2FFH 3FFH
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当要求字和位都扩展时，重复使用字扩展的电路，但译码器只用一个。
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第五节 用存储器实现组合逻辑函数
ROM的每个输出都是由地址输 入的最小项之和的形式给出的，因 此可以用来实现组合逻辑函数。 例：用ROM实现由8421BCD码到七段显示器的译码器。
A1 A0 D3 D2 D1 D0
0 0 0 1 0 1
0 1 1 0 1 1
1 0 0 1 0 0
1 1 1 1 1 0
位线 字线
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用MOS工艺制 造的ROM的存储 矩阵如图： 二、可编程只读存 储器PROM 产品出厂 时存的全是1， 用户可一次性 写入，即把某 或非门 些1改为0。但 不能多次擦除。 存储单元多采用熔丝－－低熔 点金属或多晶硅。写入时设法在 熔丝上通入较大的电流将熔丝烧 断。 编程 时VCC 和字 线电 压提 高
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特点：浮栅与漏区间的氧 化物层极薄（20纳米以下）， 称为隧道区。当隧道区电场大 于107V/cm时隧道区双向导通。 当隧道区的等效电容极 小时，加在控制栅和漏极间 的电压大部分降在隧道区， 有利于隧道区导通。 擦除和写入均利 存储单元： 用隧道效应
GC
Gf 漏极
10ms