06第六章半导体存储器(2学时)

第六章半导体存储器2学时基本知识：1、半导体存储器的基本概念、以及性能技术指标；2、半导体存储器的功能分类；3、SRAM存储单元的基本电路结构；4、RAM的读/写操作；5、掩膜ROM的基本结构与基本特性；6、可编程ROM的基本结构与基本特性；重点知识：1、正确理解存储容量的概念；2、正确理解RAM的基本结构组成；3、熟练掌握RAM存储容量的扩展方法；4、正确使用常规半导体存储器；难点知识：1、半导体存储器的结构组成的理解；课后练习:P383-7.1.2、7.1.52、RAM存储容量的扩展方法；序言随着半导体集成工艺的不断进步，电路的集成度越来越高。

目前，大规模集成电路LSI日新月异，LSI电路的一个重要应用领域就是半导体存储器。

半导体存储器就是存储大量二值数据的半导体器件，是数字系统必不可少的组成部分。

这种存储包括：存储文字的编码数据、存储声音的编码数据、存储图像的编码数据。

衡量存储器性能的重要计数指标——存储容量（目前动态存储器的容量可达10亿位/片）、存取速度（一些高速存储器的存取时间仅10nS）。

1、存储容量存储器由若干存储单元组成，每个存储单元存放一位二进制数。

由若干二进制数组成的二进制数代码称为一个字，字所包含二进制数的位数称为字长。

可见，存放一个字长为M的字需要M个存储单元，且M个存储单元为一个信息单元。

所以：存储容量就是字数N（信息单元）与字长M（位数）的乘积（即存储单元的总数）。

如：64M×8=512M（其中64M为字数或信息单元，8为字长或位数，512M为存储单元）2、存取时间从CPU给出有效的存储器地址启动一次存储器读/写操作，到该操作完成所经历的时间3、存取周期连续启动两次独立的存储器读/写操作所需的最小间隔时间4、存取把信息存入某信息单元或从某信息单元取出信息，则需要找到信息单元，且称寻址或访问信息单元。

方便起见，每个信息单元都有一个编号，即称地址码，简称地址。

信息存进信息单元叫做写入。

从信息单元取出信息叫做读出。

3、半导体存储器划分二极管ROM(1)按制造工艺分双极型ROM(三极管)单极型(MOS)掩膜ROM(固定ROM)——厂家固化内容；容写入可方编式程分ROM（PROM）——用户首次写入时决定内容。

2按存储内（一次写入式）可编程、可擦除ROM（EPROM）——可根据需要改写；可编程、电可擦除ROM（EEPROM即E2PROM）快闪存储器FLASH ROM第一节随机存储器RAMRAM又名读/写存储器。

RAM用于存储可随时更换的数据，可随时从给定的址单元中读出数据，也可随时往给定的地址码的存储单元中写入数据。

一、RAM的电路结构与工作原理1、SRAM存储单元的基本结构电路如图所示：Array①一个基本RS触发器——用于存储1位二值数据；②行、列选择线——读/写操作的条件就是行、列选择线为高电平；③位线（数据线）——在列线为“1”时，位线与数据线接通；在行线为“1”时，位线与触发器接通；特点——数据由触发器记忆，只要不断电，数据可以永久保存。

2、DRAM存储单元SRAM存储单元所用管子多，功耗大，集成度受到限制。

DRAM存储数据的原理——基于电容电荷的存储效应。

字线位线VCSCW 存储单元电容常见的DRAM存储单元有两种结构：单管（大容量DRAM存储单元普遍采用单管结构）、三管；DRAM为避免数据丢失，总需“再生”或“刷新”操作。

单管动态存储单元杂散电容≥1G&D行选择线X i写入刷 新控制“写”位存储单元V 1V 3V C2线“读” 位 G 3G 1&R / WV4D IV DD线V 5Y j 列选择线 O三管动态存储单元二、RAM的基本结构三部分：存储矩阵、地址译码器、输入/输出控制电路。

结构示意图如下：地址译码器存储矩阵地址输入控制信号输入输入/输出控制电路数据输入/输出1、存储矩阵若干存储单元排列成矩阵形式构成存储矩阵。

存储器以字为单位组成内部结构，1个字含有若干存储单元。

1个字中所含的位数称为字长。

存储容量就是字数与字长的乘积，如256M×8。

2、地址译码同时包括行地址译码与列地址译码。

地址就是存放同一个字的存储单元的编码。

字单元即称为地址单元。

N ，如：256个地址单元的个数N与二进制地址码的位数n 满足2n=地址单元，需要（28 =256 ）8位二进制地址码。

3、输入/输出控制电路（1）片选信号CS ：解决芯片是否工作的问题；（2）读写控制信号：决定是读信号还是写信号；三、RAM的操作与定时1、读操作（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；（2）加入有效的片选信号CS；（3）在R/W线上加高电平，经过一段时间后，所选单元的内容出现在I/O 端；（4）使片选信号CS 无效，I/O 端呈高阻态，结束本次读操作；“地址存取时间“——由于地址缓冲器。

译码器、输入/输出电路的工作延时，在地址信号加到存储器地址输入端后，数据稳定传输到数据输出端而需要的一段时间。

“读周期”——连续两次读操作的时间间隔。

2、写操作（1）将欲写入的地址加到存储器的地址输入端；（2）在片选信号端CS 加入有效逻辑电平，使RAM工作；（3）将待写入的数据加到数据输入端；（4）在R / W 线上加低电平，进入写工作状态；（5）使片选信号无效，数据输入线回到高阻状态，结束本次写操作；“写周期”——连续两次写操作的时间间隔。

大多数SRAM，读/写周期相等，一般约为十几～几十纳秒。

四、RAM存储容量的扩展扩展存储容量的方法：字长（位数）的扩展、字数的扩展。

1、字长（位数）的扩展位扩展一般采用并联方式：RAM的地址线、读/写控制线、片选线并联在一起；各芯片的数据输入/输出端作为字的各个位线。

如：用2片1024×2RAM，实现1024×4RAM。

解：如图所示地址线并联读写端并联片选端并联I/O 端分别输出Y Y2、字数的扩展字数扩展：一般利用译码器（74138、74139）控制存储器芯片的片选端来实现。

如：用4片1024×2RAM ，实现4096×2RAM 。

解：电路连接如下图所示：Y 12 Y 3第二节只读存储器ROMROM的特点——数据具有非易失性。

从制造工艺上划分有：二极管ROM、双极型ROM、MOS型ROM；从存储内容的存储方式划分有：固定ROM（掩膜ROM）——基本即结构与RAM类似，利用掩膜技术一次性制成。

可编程ROM——一次可编程存储器（PROM，熔断丝结构，只能改写一次）。

光可擦除可编程存储器（EPROM）。

电可擦除可编程存储器（E2PROM）、快闪存储器（Flash Memory）。

一、掩膜ROM掩膜ROM中存放的信息是由生产厂家采用掩膜工艺专门为用户制作的，这种ROM出厂时其内部存储的信息就已经“固化”在里边了，所以也称固定ROM。

它在使用时只能读出，不能写入，因此通常只用来存放固定数据、固定程序和函数表等。

（1）基本构成① 地址译码器的作用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。

② 存储矩阵是由存储单元排列而成，可以由二极管、三极管或MOS管构成。

每个单元存放一位二值代 码。

每一个或一组存储单元对应一 个地址代码。

③ 输出缓冲器的作用：输入地址三态控制字线位线数据输出Ⅰ、提高存储器的带负载能力，将高、低电平转换标准的逻辑电平；Ⅱ、实现对输出的三态控制，以便与系统总线连接。

二、PROM(Programmable Read-Only Memory)PROM只能写一次，一旦写入就不能修改（OTP型）。

基本结构同掩模ROM，由存储矩阵、地址译码和输出电路组成。

出厂时在存储矩阵地所有交叉点上都做有存储单元，一般存1。

存数方法：熔丝法和击穿法。

CC字线字线Wi熔丝位线Di熔丝法图示(a)熔丝位线(b)字线字线WiWiVD1VD2位线位线DiDiVD1(a)(b)PN结击穿法三、EPROM （Erasable ProgrammableRead-Only Memory ）利用浮栅技术，即叠栅MOS 管结构（除控制栅极外还有一个没有引 线的栅极即浮栅）。

写入数据前——浮栅不带电；写入数据的过程——在SIMOS 管（叠栅MOS 管）的漏栅极加足够高的 电压（25V ）使漏极与衬底之间的PN 结反向击穿，产生大量高能电子，穿 过很簿的氧化层而堆积在浮栅上，从 而使浮栅带有负电荷；数据的保存——当移去外加的高压，浮栅电子没有放电回路而长期保存；数据的存储效应——当浮栅上没有电荷时，给控制栅（接在行选线上）加压，MOS管导通，当浮栅上有电荷时，衬底表面感应有正电荷，则使MOS管导通，开启电压升高。

若外加同样的栅极控制电压，MOS管不会导通而截止，即利用浮栅是否有电荷来存储二值数据；数据的擦除——紫外线或X射线照射时，浮栅上的电子形成光电流而泄放。

EPROM的擦除为一次性全部擦除。

EPROM的数据写入需专用的编程器。

结反向击穿S 浮置栅D SiO2DP +P +NSPN结反向击穿FAMOS管的结构和符号SGf GS e D SiO 2GeGfDFAMOS管的结构和符号四、E 2PROM （Electrical Erasable Programmable Read-OnlyMemory ）仍采用浮栅技术，即隧道MOS 管。

隧道区与EPROM 的区别在于：① 结构上，浮栅延长区与漏极区之间的交叠处有一个 •厚度约 80 A 的薄绝缘层；隧道区② 原理上，当漏极接地，控制栅加足够高的电压，交叠区会产生一个很强的 电场，在强电场的作用下，电子通过绝缘层到达浮栅，使浮栅带负电荷，此现象称 为隧道效应。

反过来，栅极接地，漏极加正电压，浮栅电子会泄放。

可见，隧道MOS 管的擦除是电擦除，一般为毫秒数量级擦除时间。

E 2PROM 电擦除的过程正是数据的改写过程。

E 2PROM 既具备EPROM 的非易失性，又具备RAM 的随意性。

大多数E 2PROM 芯片内部具有升压电路，只需提供单电源，即可实现读、擦、写操作。

五、Flash MemoryU盘、MP3、数码相机、数码摄象机等基本结构类似SIMOS（叠栅MOS管），结构区别表现在：N+区，EPROM存储单元①Flash存储单元MOS管的源极N +区大于漏极MOS管的源极N+区对称漏极N+区；②Flash的浮栅与衬底之间的氧化层更薄，EPROM的浮栅与衬底之间的氧化层交薄。

位线字线隧道区。