第06章半导体存储器

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6.2 只读存储器
1.掩模只读存储器(ROM) 掩模ROM又称固定ROM。这种ROM在制造时，生 产厂家利用掩模技术把数据写入存储器 中，一旦制成，其内部存储的信息则固化 在里边，不能改变。使用时只能读出，不 能写入。
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ROM的电路结构
W0 A0 A1 地 址 译 码 器 An-1 W2n -1 存储单元 存储矩阵 W1 信息单元 (字)
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RAM分为：
①动态随机存取存储器(DRAM) ②静态随机存取存储器(SRAM) DRAM的存储单元电路简单，集成度
高，价格便宜，但需要刷新电路。因为 它是用电容存储信息的，电容的漏电会 导致信息丢失，因此，要求定时刷新( 即定时对电容充电)。大部分PC机中的 存储器都使用DRAM。
Gc S 浮栅 D S D
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N+ P衬底
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N+
GC
Flotox管 第6章 半导体存储器
EAROM外形图
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E2PROM的存储单元和读出
读出状态如图所示。
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E2PROM的擦除和写入
擦除时在控制栅Gc和字线Wi上加+20V左右的脉 冲电压，位线Di接0V电平，Flotox管的电子通 过隧道区存储于浮置栅中。此时，Flotox管所需 要的开启电压高达+7V以上，Flotox管截止。字 被擦除后，存储单元为1状态。
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2.存储器的技术指标
存储器的技术指标主要有两个： 存储容量和存取周期 (1)存储容量 指存储器存放数据的多少，即存储单元的 总数。
每个存储单元存放一位二值数据(0或1)。 存储单元通常以“字”为单位排列成矩阵形式，字长 与其占用的存储单元数相等。
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A1 1 地 址 译 码 器
A0 1
W0
W1
W2
W3
1 EN 存 储 矩 阵 1 EN 1 EN 1 EN EN
D3
D2
D1
D0
输出缓冲器
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地址译码器是一个与阵列
字线与地址的关系
W0 =A1 A 0 =m 0 W1 =A1 A 0 =m1 W2 =A1 A 0 =m 2 W3 =A1 A 0 =m 3
Wi GC USS S D Di
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T2 Di
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位线
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位线
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3.可擦除的可编程只读存储器
(1)光擦除可编程存储器(EPROM)
D
GC Gf
S
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3.可擦除的可编程只读存储器
FAMOS是浮栅雪崩注入式MOS。当浮 (1)光擦除可编程存储器(EPROM) 栅上没有电荷时，沟道不能形成， FAMOS截止。当浮栅中注入电荷，浮栅 中的电荷产生的电场，使沟道形成， FAMOS导通。
存储容量的计算公式为： 存储容量=N(字数)×M(位数)
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例如
一个存储器能存放256个数据，每个数据有8 位，则该存储容量为： 256×8=2048 也可用字节(B)为最小存储单元 256×8/8=256B 字数通常采用K、M、G为单位 1K=210=1024 1M=220=1024×1024=1024K 1G=230=1024M。
①掩模只读存储器(ROM) ②可编程只读存储器(PROM) ③可擦除只读存储器(EPROM)和(E2PROM) 存储器中的数据由用户通过特殊写入器写入，但只
能写一次，写入后无法再改变。 ④快闪存储器
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ROM分为：
①掩模只读存储器(ROM) ②可编程只读存储器(PROM) ③可擦除只读存储器(EPROM)和(E2PROM) ④快闪存储器 可以多次擦除改写其中存储的数据。
存储矩阵
地址译码器
三态控制
输出缓冲器
输出控制电路
Dm-1
D0
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存储器芯片内部照片
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ROM的阵列结构
UCC
具有两位地址输 入码和四位数 据输出的ROM 电路，其存储 矩阵由二极管 或门构成，地 址译码器由二 极管与门构 成。
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ROM分为：
①掩模只读存储器(ROM) ②可编程只读存储器(PROM) 存储器中的数据由生产厂家一次写入，且只能读出 ，不能改写。 ③可擦除只读存储器(EPROM)和(E2PROM) ④快闪存储器
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ROM分为：
不可更改
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存储矩阵是一个或阵列
输出与字线的关系 D0=W0+W2 D1=W1+W2+W3 D2=W0+W2+W3 D3=W1 生产厂商可根据用 户的需求更改
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ROM阵列结构的简化表示
A1 1 A0 1 与 阵 列
ROM分为：
①掩模只读存储器(ROM) ②可编程只读存储器(PROM) ③可擦除只读存储器(EPROM)和(E2PROM) ④快闪存储器
新一代电信号擦除的可编程ROM，它既吸收了 EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了 E2PROM擦除快的优点，而且具有集成度高、容 量大、成本低等优点。
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RAM分为：
①动态随机存取存储器(DRAM) ②静态随机存取存储器(SRAM)
SRAM存储单元的电路结构复杂，集成 度较低，但读写速度快，且不需要刷新 电路，使用简单。SRAM存储单元是触 发器依靠电源供电，在不失电的情况下 ，触发器的状态不改变。SRAM主要用 于高速缓冲存储器方面。
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熔丝型PROM
存储单元由存储管和串接的快速熔断丝组成。 熔丝没有烧断时，相当存储单元存储的是1。 编程时，通过一定幅度和宽度的脉冲电流，将选择 的存储单元中的熔丝熔断，则该单元中的内容由 1被改写为0。
Wi UCC T 字 线 Wi
×
字 线 Di
D D GC P+ N衬底 P+ Gf S
浮栅 S
SIMOS结构示意和符号
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带有EPROM的单片机
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(2)电擦除可编程只读存储器(E2PROM)
E2PROM中的浮栅隧道氧化层MOS管，简称 Flotox管。它与SIMOS管相似之处是也有两个栅 极，即控制栅Gc和浮栅Gf。其不同之处是，漏区 与浮栅之间有一个氧化层极薄的隧道区，在一定的 条件下，隧道区可形成导电隧道，电子可以双向通 过，形成电流。此现象称为隧道效应。
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1.半导体存储器的分类
(1)按制造工艺分类： 双极型存储器 MOS型存储器 (2)按数据存取方式分类： 以MOS触发器或电荷存储结构为存储单元，它具 有工艺简单、集成度高、功耗低、成本低等特点。 只读存储器(ROM) 随机存取存储器(RAM)
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第6章半导体存储器
本章主要介绍只读存储器(ROM)和随机存储器 (RAM)的电路结构、工作原理，简要讨论利用给 定存储器扩展存储容量的方法和存储器在组合逻 辑电路设计中的应用。
概述 只读存储器 随机存储器
6.1 概 述
半导体存储器是一种能够存放二值 数据的集成电路 是数字系统中非常重要的、不可缺 少的组成部分。
+20V Wi +20V GC
字 线
T1 T2
Di 位线
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0V
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E2PROM的擦除和写入
写入时在要写入0的存储单元的Flotox管控制栅Gc上，加 上0V电压，字线Wi和位线Di上加+20V左右的脉冲电 压，存储于Flotox管浮置栅中的电子通过隧道放电。此 时，Flotox管的开启电压为0V，读出时，控制栅Gc上加 +3V的电压，Flotox管导通，存储单元为0状态。
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(2)存取周期
存储器的存取周期，指两次连续读取(或写入) 数据之间的间隔时间。 存储器一次读(或写)操作后，其内部电路需 经一定的时间恢复，才能进行下一次的读 (写)操作。间隔时间越短，说明存储周期越 短，工作速率越高。
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1.半导体存储器的分类
(1)按制造工艺分类： 双极型存储器 MOS型存储器 以双极型触发器为存储单元，它具有工作速度快、 功耗大等特点。主要用于对速度要求较高的场合， (2)按数据存取方式分类： 例如计算机的高速缓冲存储器。 只读存储器(ROM) 随机存取存储器(RAM)
阵列中交叉线中 接有二极管用 “●”表示。
W0
W1
W2
W3 D3
或 阵 列
D2 D1 D0
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ROM的形象表示
与阵列中 字线表达式
A1 1 A0 1
& & & &
与 阵 列
W1 =A1 A 0 =m1
或阵列中 数据表达式 D2=W0+W2+W3
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EPROM是用紫外线擦除存入的数据，其结构简单 ，编程可靠，但擦除操作复杂，速度慢； E2PROM是用电擦除存入的数据，擦除速度较快 ，但改写必须在擦除后才能进行，擦/写过程约为 10～15ms。E2PROM的集成度不够高，并且一 个字节可擦写的次数限制在10 000次左右。
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1.半导体存储器的分类
(1)按制造工艺分类： 双极型存储器 MOS型存储器 (2)按数据存取方式分类： 只读存储器(ROM) 随机存取存储器(RAM) 只读存储器(ROM)在正常工作时，只能从存储器
的单元中读出数据。存储器中的数据是在存储器生 产时确定的，或事先用专门的写入装置写入的。 ROM中存储的数据可以长期保持不变，即使断电 也不会丢失数据。
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1.半导体存储器的分类
(1)按制造工艺分类： 双极型存储器 MOS型存储器 (2)按数据存取方式分类： 只读存储器(ROM) 随机存取存储器(RAM)
随机存取存储器(RAM)在正常工作时，可以随时 写入(存入)或读出(取出)数据，但断电后，器件 中存储的信息也随之消失。
W0 或 阵 列
W1
W2
W3
≥1 ≥1 ≥1 ≥1
D3 D2 D1 D0
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2.可编程只读存储器(PROM)
PROM的总体结构与掩模ROM一样，同样由 存储矩阵，地址译码器和输出缓冲器组 成。不过在出厂时已经在存储矩阵的所有 交叉点上制作了存储元件，即在所有存储 单元里都存入0(或1)，用户根据需要，可将 某一单元改写为1(或0)，但只能改写一次。 因为这种ROM采用的是烧断熔丝或击穿 PN结的方法。这些方法不可逆，一经改写 再无法恢复。
+20V Wi GC 0V T1 T2
字 线
+20V
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位线
Di
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E2PROM的擦除和写入
E2PROM虽然实现了电擦除和写入，但速度不够 快，其存储单元中用了两个MOS管，也限制了其 集成度的提高，正常工作时只能工作在它的读出状 态，作ROM使用。
+20V Wi GC 0V T1 T2
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×
位线
T
位线
Di
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PN结击穿法改写PROM
字线与位线相交处由两个肖特基二极管反向串接， 相当于存储单元中存入0。 编程时，用一定值的反向直流电流，将所选存储单 元的T1击穿短路，相当于将该单元的内容由0改 写成1。
Wi Wi
字 线
T1 T2 Di
字 线
字 线
+20V
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(3)快闪存储器
是新一代电可擦除的可编程ROM，吸收了 EPROM结构简单，编程可靠的优点，又保留了 E2PROM用隧道效应擦除快的优点，而且集成度 可以做得很高。管子采用叠栅MOS管，其内部结 构与EPROM中的SIMOS管极为相似。