清華大學(xué)數(shù)電7半導(dǎo)體存儲器

第七章半導(dǎo)體存儲器第一節(jié)概述存儲器：存儲大量二值信息（或稱為二值數(shù)據(jù)）的半導(dǎo)體器件。用途：在計算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)。與寄存器的區(qū)別：以字位。各個字的相同位通過同一引腳與外界聯(lián)系。每個字分配一個地址，因此內(nèi)部有地址譯碼器。【題7.2】【7.5】1分類：掩模ROM可編程ROM（PROM）可擦除可編程ROM（EPROM）隨機(jī)存儲器RAM靜態(tài)存儲器SRAM動態(tài)存儲器DRAM按功能(Read-OnlyMemory)(RandomAccessMemory)(ProgrammableROM)(ErasablePROM)UVEPROMEEPROM只讀存儲器ROMFlashMemory(Ultra-Violet)(Electrically)電可擦除紫外線擦除(StaticRAM)快閃存儲器(DynamicRAM)只能讀出不能寫入,斷電不失還可以按制造工藝分為雙極型和MOS型兩種。主要指標(biāo)：存儲容量、存取速度。存儲容量:用字?jǐn)?shù)×位數(shù)表示，也可只用位數(shù)表示。如，某動態(tài)存儲器的容量為109位/片。2第二節(jié)只讀存儲器ROM一、掩模只讀存儲器又稱為固定ROM。工廠按用戶要求生產(chǎn)出來后，用戶不能改動。1.ROM的構(gòu)成存儲矩陣：由若干存儲單元排列成矩陣形式。儲存單元：可由二極管、雙極性三極管或MOS管構(gòu)成。

地址譯碼器：根據(jù)地址輸入，在存儲矩陣中選出指定的字對應(yīng)的單元，把數(shù)據(jù)送往輸出緩沖器。輸出緩沖器：增加帶負(fù)載能力；同時提供三態(tài)控制，以便和系統(tǒng)的總線相連。存取速度：用完成一次存取所需的時間表示。高速存儲器的存取時間僅有10ns左右。32.工作原理所以應(yīng)按組合電路進(jìn)行分析。二－四線譯碼器A1,A0的四個最小項字線存儲矩陣是四個二極管或門；當(dāng)EN’=0時，Di=di

D1=D3=A0D0=W1+W0=A’1真值表：真值表與存儲單元有一一對應(yīng)關(guān)系位線0011D01010D11101D21010D31010A01100A1D3=W1+W3=A’1A0+A1A0=A0D2=W’1=A1+A’0地址譯碼器是四個二極管與門；24頁4二、可編程只讀存儲器PROM用MOS工藝制造的ROM的存儲矩陣如圖：或非門產(chǎn)品出廠時存的全是1，用戶可一次性寫入，即把某些1改為0。但不能多次擦除。存儲單元多采用熔絲－－低熔點(diǎn)金屬或多晶硅。寫入時設(shè)法在熔絲上通入較大的電流將熔絲燒斷。編程時VCC和字線電壓提高掩模ROM特點(diǎn)：存儲單元簡單，用戶不可編程。516字×8位的PROM十六條字線八條位線20V十幾微秒編程脈沖讀出時，讀出放大器AR工作，寫入放大器AW不工作。寫入時，在位線輸入編程脈沖使寫入放大器工作，且輸出低電平，同時相應(yīng)的字線和VCC提高到編程電平，將對應(yīng)的熔絲燒斷。特點(diǎn)：用戶可編程；不能重復(fù)擦除。也有“反镕絲”結(jié)構(gòu)的PROM。6三、可擦除的可編程只讀存儲器（EPROM）（一）紫外線擦除的只讀存儲器（UVEPROM）是最早出現(xiàn)的EPROM。通常說的EPROM就是指這種。使用疊柵注入MOS管SIMOS(Stacked-gateInjuctionMOS)用N溝道管；有兩個柵極：控制柵和浮置柵。浮柵無引線。SIMOS管原來可導(dǎo)通，開啟電壓約為2V。構(gòu)造：注入電荷：在DS間加高電壓，漏極PN結(jié)雪崩擊穿，產(chǎn)生高速電子。同時在控制柵加25V、50mS寬的脈沖，部分高速電子積累在浮柵上。注入電荷后其開啟電壓達(dá)7V，不能正常導(dǎo)通。7存儲單元如圖。256字X1位。已注入電荷的SIMOS管存入的是1。擦除：用紫外線或X射線擦除。需20~30分鐘，且需要專用擦除器。浮柵上電荷可長期保存－－在125℃環(huán)境溫度下，70%的電荷能保存10年以上。這是一種雙譯碼方式，行地址譯碼器和列地址譯碼器共同選中一個單元。每個字只有一位。特點(diǎn):可反復(fù)擦除,存儲單元只需一個管。擦除復(fù)雜、時間長，編程電壓高。8（二）電可擦除EPROM(EEPROM或E2PROM)用紫外線擦除操作復(fù)雜，速度很慢。必須尋找新的存儲器件，使得可以用電信號進(jìn)行擦除。使用浮柵隧道氧化層MOS管Flotox(FloatinggateTunnelOxide)特點(diǎn)：浮柵與漏區(qū)間的氧化物層極?。?0納米以下），稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)電場大于107V/cm時隧道區(qū)雙向?qū)?。?dāng)隧道區(qū)的等效電容極小時，加在控制柵和漏極間的電壓大部分降在隧道區(qū)，有利于隧道區(qū)導(dǎo)通。GCGf漏極9寫入（寫0）讀出存儲單元：擦除和寫入均利用隧道效應(yīng)擦除（寫1）10msEEPROM的特點(diǎn)：不需專用擦除設(shè)備，使用方便。擦寫需要高電壓脈沖；擦除時間長；存儲單元需兩只MOS管。快閃存儲器就是針對此缺點(diǎn)研制的。10（三）快閃存儲器(FlashMemory）采用新型隧道氧化層MOS管。1.隧道層在源區(qū)；2.隧道層更?。?0～15nm。在控制柵和源極間加12V電壓即可使隧道導(dǎo)通。該管特點(diǎn)：11存儲單元的工作原理：1.寫入利用雪崩注入法。源極接地；漏極接6V；控制柵12V脈沖，寬10s。2.擦除用隧道效應(yīng)?？刂茤沤拥?；源極接12V脈沖，寬為100ms。因為片內(nèi)所有疊柵管的源極都連在一起，所以一個脈沖就可擦除全部單元。3.讀出：源極接地，字線為5V邏輯高電平。6V0V12V10s0V12V100ms快閃存儲器特點(diǎn)：集成度高，容量大，成本低，使用方便，可編程數(shù)萬次。已有數(shù)千兆位產(chǎn)品問世。已經(jīng)取代軟盤，很有可能取代硬盤。很有發(fā)展前途。5V12第三節(jié)隨機(jī)存儲器（RAM）一、靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM特點(diǎn)：RAM在工作時可隨時對任意指定單元進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。使用方便、靈活。但切斷電源后，所存信息就會丟失。分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM和動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM兩種。也可稱為讀寫存儲器。（一）RAM的結(jié)構(gòu)1.存儲矩陣2.地址譯碼：雙譯碼。3.讀寫控制電路：片選信號CS’：控制I/O端是否處在高阻狀態(tài)。讀寫控制信號R/W’：控制電路處于讀出還是寫入狀態(tài)。211422頁13（二）靜態(tài)RAM的存儲單元1.六管NMOS靜態(tài)存儲單元2.六管CMOS靜態(tài)存儲單元3.雙極型靜態(tài)存儲單元22頁優(yōu)點(diǎn)：功耗小，可用電池供電。14使字線X信號有效，就可在B線上得到要求的電平。利用MOS管柵極電容可以暫存電荷的原理制成。因此，存儲單元簡單，存儲容量大。但柵極電容很小，由于漏電的影響，電容電荷保存時間很短。必須定時給電容充電－－刷新、再生。這就需要外圍電路配合。其優(yōu)點(diǎn)是存儲容量大。這里只介紹單管動態(tài)存儲單元。*二、動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM讀出：刷新過程就不在這里介紹了。寫入：使字線X信號有效，就可將B線上的電平存入CS中

。由于CS遠(yuǎn)小于CB，B線上讀出電壓很小。屬于破壞性讀出，因此需要靈敏讀出放大器－－放大讀出信號；恢復(fù)CS上信號（刷新）。15第四節(jié)存儲器容量的擴(kuò)展一、位擴(kuò)展方式方法：所有輸入信號都并聯(lián)（地址信號、片選信號和讀寫信號）。輸出并列。N=目標(biāo)存儲器容量已有存儲器容量需要片數(shù)N=8例：用1024字×1位RAM構(gòu)成1024字×8位RAM.16Y0’Y1’Y2’Y3’二、字?jǐn)U展方式例：用256字×8位RAM組成1024字×8位存儲器。需要片數(shù)N＝4N=目標(biāo)存儲器容量已有存儲器容量特點(diǎn)：必須使用譯碼器。各片地址分配情況：000H0FFH100H1FFH2FFH3FFH200H300H當(dāng)要求字和位都擴(kuò)展時，重復(fù)使用字?jǐn)U展的電路，但譯碼器只用一個。字?jǐn)U展圖1718第五節(jié)用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)ROM的每個輸出都是由地址輸入的最小項之和的形式給出的，因此可以用來實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。例：用ROM實現(xiàn)由8421-BCD碼到七段顯示器的譯碼器。輸入變量19不可編程打點(diǎn)處有二極管ROM的簡化表示方法。201024字×4位（21