第6章 半导体存储器资料

• 按功能分类 主要分RAM和ROM两类，不过界限逐渐模糊 RAM: SDRAM, 磁盘， ROM: CD, DVD, FLASH ROM, EEPROM
讨论学习半导体介质类存储器件的结构功能和使用特点
6.1 存储器概述
2. 半导体存储器分类： RAM (Random Access Memory) 随机存取存储器
快闪存储器MOS管的结构－ FLASH ROM存储单元
• 工作机理与叠栅MOS管相同 • 结构：快闪存储器MOS管的源极 N+ 区
大于漏极N+区（非对称）且浮栅到P 型 衬底间的氧化绝缘层比SIMOS管的更薄
• 写入：利用雪崩击穿产生的大量高能 电子在浮栅上积累
• 擦除：控制栅接地、源级接高电压， 利用隧道效应放电
Ⅱ、实现对输出的三态控制，以便与 系统总线连接。
2.举例4×4存储器
Vcc
2位地址代码A1、A0给出4个 不同地址，4个地址代码分别
A1
译出W0～W3上的高电平信号。
地
1
址
A0
译 码
Vcc
1
器
D3’ 1 D3
A1
W3
存 储 矩
1
线位 D输2
1 D出1
A0
阵
W0 W1 W2 W3 1 D0
二极管与门作译码
011 1000 8
1 0 0 1 1 0 0 12
1 0 1 1 001 9
1 1 0 0 11 0 6
11 1 0 011 3
0
t
译码或码制变换 － 把欲变换的编码作为地址，译码结 果或目的编码作为相应存储单元中的内容
例 利用ROM实现的十进制数码显示（七段译码）
D8
A3
D1 a
a
D4
A2
D2 b
掩膜ROM(固定ROM)——厂家固化内容； 可编程ROM（ PROM ）——用户首次写入时决定内容。 （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
6.2.2掩膜ROM(固化ROM)
采用掩膜工艺制作ROM时，其存储的数据是由制作过程中的 掩膜板决定的。这种掩膜板是按照用户的要求而专门设计的。因 此，掩膜ROM在出厂时内部存储的数据就“固化”在里面了，使用 时无法再更改。
查表功能 －构造自变量与应变量的函数表
把自变量值作为地址码，其对应的函数值作为存放在 该地址内的数据，称为 “造表”；
使用时，根据输入的地址就可在输出端得到所需的函 数值，称为“查表”
A2 A1 A0 D3D2D1D0 D/A
o
0 0 0 0000 0
0 0 1 0 01 0 2
010 0100 4
• 写入：在漏源极间加上高电压(+20V~+25V)
漏极PN结反相击穿，产生大量 高能电子，在栅极高电压脉冲 （+25V,50ms)的吸引下，穿透 栅极绝缘层，部分堆积在浮栅 上使浮栅带负电
• 擦除：用紫外线照射使浮栅上 电子形成光电流释放
• 擦除时间长，20~30分钟 • 整片擦除 • 写入一般需要专门的工具
☆ 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。 ☆出厂时在存储矩阵的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。
熔丝法图示
字线
Vcc bc
e
熔丝
位线
加高电压将熔丝化断， 即可将原有的1改写为0。 PROM电路见图6.6 (p205)
00110011
01011011
01011111 ROM 0 1 1 1 0 0 0 0
01111111
01110011
CS 0 0 0 0 0 0 0 0 OE 0 0 0 0 0 0 0 0
00000000
00000000
00000000
00000000
D1
7E
D2
0C
D3
B6
9E
D4
CC
D5 D6
D2 D1
A1
D3 c
A0 ROM D4
D5
d e
CS
D6 f
f
b
g
e
c
OE
D7 g
d
0000 地址单元的内容对应七段数码 0
D1 D2 D4 D8
1000 地址单元的 内容对应七段数 码9
01234567 A0 0 1 1 1 1 1 1 0 A1 0 0 1 1 0 0 0 0 A2 0 1 1 0 1 1 0 1 A3 0 1 1 1 1 0 0 1
②位应用——实现组合函数
全加器
Si m(1,2,4,7) Ci m(3,5,6,7)
Ai Ai Bi Bi Ci-1 Ci-1
Si Ci
两种表示形式
组合逻辑函数的实现： ①基本门电路； ②译码器； ③数据选择器； ④ROM
Ai Ai Bi Bi C-1 C-1 Si Ci
6.2.3 PROM(可编程ROM)
6.1 存储器概述
3. 存储器的主要性能指标： 容量：存储单元总数（bit） 1Kbit=1024bit=210bit 128Mbit=134217728bit=227bit 字长：一个芯片可以同时存取的比特数 1位、4位、8位、16位、32位等等 标称：字数×位数 如4K×8位=212×8=215单元（bit） 存取时间：表明存储器工作速度 读操作和写操作时序图：存储器的工作时序关系 其它：材料、功耗、封装形式等等
DA
D7
FA
0E ROM
FE
CE
a b
c 思考：若填入的
d
e 数值分别是7F、 f 0D、B7、9F、 g CD、DB、FB、
0F、FF、CF， 译码显示如何？
这些单元不用
6.3 随机存储器RAM
RAM的特点： (1)可随时读写信息，读写速度较快； (2)信息易失性：掉电后数据丢失。
RAM的分类：
• 读出：Wi=5V,Vss=0V • 写入：Bj=6V, Gc=12V脉冲，Vss=0 • 擦除：Gc=0V, Vss=12V脉冲 • 整片或分块擦除 • 电路形式简单、集成度高、可靠性好
6.2.5 EPROM集成芯片及应用举例
1. EPROM集成芯片
EPROM2716
工作方式 读出 未选中 待机 编程
SRAM 双极型 DRAM MOS型
ROM (Read Only Memory) 只读存储器
ROM (工厂掩膜) PROM(一次编程) EPROM(多次编程)
随机存取存储器：在运行状态可以随时进行读或写操作
RAM信息易失： 芯片必须供电才能保持存储的数据
只读存储器：通过特定方法写入数据，正常工作时只能读出 ROM信息非易失：信息一旦写入，即使断电也不会丢失
FLASH ROM：电擦除可编程ROM
☆结合EPROM和EEPROM的特点，构成的电路形式简 单，集成度高，可靠性好。
☆ 擦除时间短(ms级)，整片擦除、或分块擦除。 ☆读出：5V；写入：12V；擦除：12V(整块擦除)
1、UVEPROM(紫外光可擦除可编程ROM）
叠栅MOS管结构－EPROM(光擦除可编程ROM)存储单元
EN
A1A0＝00 W0＝1；
A1A0＝01 W1＝1；
A1A0＝10 W2＝1；
A1A0＝11 W3＝1；
2.举例4×4存储器（续）
Vcc
存储矩阵由4个二极管或门组成，
当W0～W3线上给出高电平信号时，
A1
1
A0
1
地 会在D0～D3输出一个二值代码
址 译
W3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
码 器
W1
D3’
D3’ 1 D3
存 储 矩
位 1 D2 输
1
D1
出 线
阵
W0 W1 W2 W3 1 D0
EN
W0～W3：字线 D0～D3：位线（数据线）
二极管或门作编码器
D3＝W1＋W3 D2＝W0＋W2＋W3 D1＝ W1＋W3 D0＝W0＋W1
A0、A1：地址线
2.举例4×4存储器（续）
Vcc
D3＝W1＋W3 D2＝W0＋W2＋W3 D1＝ W1＋W3 D0＝W0＋W1
• 读出：Gc=3V,Wi=5V • 写入：Gc=Wi=20V（脉冲） • 擦除：Gc=0, Wi=Bi=20V（脉冲） • 可擦除单个存储单元 • 芯片内部带有升压电路
3、快闪存储器
快闪存储器既吸收了EPROM结构简单、编程可 靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应擦除 的快捷特性，而且集成度可以做得很高。
A1
地
存储内容真值表
1
A0
址
译 码
地址
数据
1
器
A1 A0 D3 D2 D1 D0
存 储 矩
D3’ 1 1 1
D3 位
D2 输
D1
出 线
00 01 10
0101 1011 0100
阵
W0 W1 W2 W3 1 D0
1 1 1110
EN
字线和位线的每个交叉点都是一个存储单元，在交叉点上接 二极管相当于存1，没接二极管相当于存0，交叉点的数目就是 存储容量，写成“字数×位数”的形式
RAM 按功能可分为
静态(SRAM) 动态(DRAM)
RAM 按所用器件可分为
双极型 MOS型
1. RAM的结构框图
RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读／写控制电 路三部分组成。
6.2.4 EPROM、E2PROM、FLASH ROM
EPROM：光擦除可编程ROM
☆紫外线照射擦除，时间长20～30分钟 ☆整片擦除 ☆写入一般需要专门的工具
E2PROM：电擦除可编程ROM
☆电擦除，一般芯片内部带有升压电路，可以直接 读写EEPROM，
☆擦除时间短(ms级)，可对单个存储单元擦除。 ☆读出：5V；擦除：20V；写入：20V。
第六章 半导体存储器
6.1 概述 6.2 只读存储器（ROM） 6.3 随机存取存储器（RAM） 6.4 存储器的扩展 6.5 存储器的应用
6.1 存储器概述
1. 存储器一般概念
• 存储器：专用于存放大量二进制数码的器件
• 按材料分类 1) 磁介质类——软磁盘、硬盘、磁带、… 2) 光介质类——CD、DVD、… 3) 半导体介质类——SDRAM、EEPROM、FLASH ROM、…
6.2 只读存储器（ROM）
6.2.1 只读存储器概述
1.特点： ①正常条件下只能读出，不能写入； ②属于组合电路，电路简单，集成度高； ③具有信息的不易失性； ④读取时间在20ns～50ns。
2.ROM的分类
(1)按制造工艺分
二极管ROM 双极型ROM(三极管) 单极型(MOS)
(2)按存储内容写入方式分
• 浮栅是与四周绝缘的一块导体 • 控制栅上加正电压，P 型衬底
上部感生出电子，可产生N 型 反型层使NMOS管导通 • 如果浮栅带负电，则在衬底上 部感生出正电荷，阻碍控制栅 开启MOS 管。开启需要更高的 电压。 • 加相同栅电压时，浮栅带电与 否，表现为MOS管的通和断
叠栅（SIMOS）管用浮栅是否 累积有负电荷来存储二值数据。
2、E2PROM
读出、写入、擦除方法见有关资料
隧道MOS管的结构－E2PROM的存储单元
• 工作机理与叠栅MOS管相同
• 结构特点：浮栅与漏极N区延长区有一 点交迭并且交迭处的绝缘层厚度很小
• 写入：控制栅上加高电压，漏极接地即 可对浮栅充电，电子穿透绝缘层积累在 浮栅上
• 擦除：控制栅接地，漏极接高电压即 可对浮栅放电，即为电擦除
禁止编程
校验读出
2716工作方式
CE
OE VPP 数据线D7~D0的状态
0
0
+5V 读出的数据
×
1
+5V 高 阻
1
×
+5V 高 阻
1 +25V 写入的数据
0
1 +25V 高 阻
0
0 +25V 读出校验数据
EEPROM2864
2. ROM的应用举例 （1） 用于存储固定的专用程序或数据 （2） 利用ROM可实现查表 （3） ROM 用于波形发生器 （4） 利用ROM可实现译码组合逻辑等功能
3. 基本应用
①字应用——由地址读出对应的字， 例实现B码→G码的转换。
B3 B3 B2 B2 B1 B1 B0 B0
0
5
10
G3 G2 G1 G0
15
二进制 G3 G2 G1 G0 0000 0 0 0 0 0001 0 0 0 1 0010 0 0 1 1 0011 0 0 1 0 0100 0 1 1 0 0101 0 1 1 1 0110 0 1 0 1 0111 0 1 0 0 1000 1 1 0 0 1001 1 1 0 1 1010 1 1 1 1 1011 1 1 1 0 1100 1 0 1 0 1101 1 0 1 1 1110 1 0 0 1 1111 1 0 0 0
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：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；