第7章半導體存儲器

第七章半導體存儲器7.1概述7.2只讀存儲器7.3隨機存儲器7.4存儲器容量的擴展7.5用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)7.6串行存儲器本章小結(jié)本章習題17.1概述3.半導體存儲器是一種能存儲大量二值信息的半導體器件。2.存儲器與寄存器的區(qū)別1.定義:存儲器（memory）是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。

按存儲介質(zhì)分:半導體存儲器：用半導體器件組成的存儲器。

磁表面存儲器：用磁性材料做成的存儲器。寄存器內(nèi)部由觸發(fā)器構(gòu)成，存儲容量小。例如1K需要1024個觸發(fā)器存儲器存儲容量大，例如目前動態(tài)存儲器的容量可達109位/片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與寄存器完全不同。2

名稱簡稱

用

途

特點

高速緩沖存儲器

cache高速存取指令和數(shù)據(jù)

存取速度快，但存儲容量小

主存儲器

主、內(nèi)存

存放計算機運行期間的大量程序和數(shù)據(jù)

存取速度較快，存儲容量不大

外存儲器

外存

存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫

存儲容量大，位成本低

4.對存儲器要求

：容量大，速度快，成本低三者之間是矛盾的，目前通常采用多級存儲器體系結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲器、主存儲器和外存儲器。3

按存儲方式分:按存儲介質(zhì)分:按信息的可保存性分

:

按在計算機系統(tǒng)中的作用分:

半導體存儲器：用半導體器件組成的存儲器。

磁表面存儲器：用磁性材料做成的存儲器。

隨機存儲器：任何存儲單元的內(nèi)容都能被隨機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關(guān)。

順序存儲器：只能按某種順序來存取，存取時間和存儲單元的物理位置有關(guān)

非永久記憶的存儲器：斷電后信息即消失的存儲器。

永久記憶性存儲器：斷電后仍能保存信息的存儲器。根據(jù)存儲器在計算機系統(tǒng)中所起的作用，可分為主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器、控制存儲器等。5.存儲器的分類按制造工藝分雙極型MOS型功耗低，集成度高4按存取功能分觸發(fā)器電容—需要刷新5624C02的EEPROM1024RAM,24C02EEPROM,64Kfrash77-2只讀存儲器ROM的分類掩模只讀存儲器（MROM）

只讀存儲器所存儲的內(nèi)容一般是固定不變的，正常工作時只能讀數(shù)，不能寫入，并且在斷電后不丟失其中存儲的內(nèi)容，故稱為只讀存儲器。

ReadOnlyMemory可編程只讀存儲器（PROM）紫外線可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）電擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）快閃存儲器（FLASHMEMORY）89幾個概念存儲器地址存儲器數(shù)據(jù)輸出及位數(shù)存儲器容量字數(shù),位數(shù)設(shè)地址線為n條，數(shù)據(jù)線為m條，則字數(shù)=2n，位數(shù)/字=m。存儲容量=2n×m。D0D1D2D3A1A0存儲器D0Dm-1An-1A0存儲器……107.2.1掩模只讀存儲器1.ROM的基本結(jié)構(gòu)和工作原理在采用掩模工藝制作ROM時，其中存儲的數(shù)據(jù)是由制作過程中使用的掩模板決定的，此模板是廠家按照用戶的要求專門設(shè)計的，因此出廠時數(shù)據(jù)已經(jīng)“固化”在里面了。三態(tài)控制地址譯碼存儲矩陣輸出緩沖地址輸入數(shù)據(jù)輸出11存儲矩陣：

地址譯碼器存儲矩陣NMA0A1An-1W0W1WN-1輸出緩沖器D0D1DM-1字線（選擇線）：N條位線（數(shù)據(jù)線）：M條12

地址譯碼器存儲矩陣NMA0A1An-1W0W1WN-1輸出緩沖器D0D1DM-1地址譯碼器對應(yīng)于N條字線，地址譯碼器必須有n條地址線輸入：且N=2n一組地址碼對應(yīng)一條字線，當某條字線被選中時，與該字線聯(lián)系的存儲單元（字）就與數(shù)據(jù)線相通，進行讀、寫操作。13ROM的工作原理地址譯碼器根據(jù)地址碼選中一條字線（只有一條?。┳志€所對應(yīng)的存儲單元的各位數(shù)碼經(jīng)位線輸出

地址譯碼器存儲矩陣NMA0A1An-1W0W1WN-1輸出緩沖器D0D1DM-1輸出緩沖器選中的字經(jīng)輸出緩沖器輸出：提高帶負載能力；由三態(tài)控制信號決定數(shù)據(jù)輸出的時刻。14字線位線存儲容量＝字數(shù)×位數(shù)存儲容量＝22×4＝4×4地址輸入端數(shù)據(jù)輸出端7.2.1掩模只讀存儲器2.二極管ROM電路15圖7.2.2是具有2位地址輸入碼和4位數(shù)據(jù)輸出的ROM電路。其地址譯碼器是由4個二極管與門構(gòu)成，存儲矩陣是由二極管或門構(gòu)成，輸出是由三態(tài)門組成的。圖7.2.2Y=AB162.二極管ROM電路7.2.1掩模只讀存儲器圖7.2.2Y=A+B172.存儲距陣由或門構(gòu)成3.輸出緩沖器由三態(tài)門構(gòu)成當EN=0時，D=D’，當EN=1時，輸出呈高阻態(tài)。圖7.2.2A1A0為地址線，W0W1W2W3為字線，D3D2D1D0為位線。在每一個地址上，存放著一個四位數(shù)。181EN1EN1EN1END3D2D1D0D'3D'2D'1D'0VCCA1A0地址譯碼存儲矩陣輸出緩沖ENW0W1W2W311A1A0二極管與數(shù)據(jù)的關(guān)系當字線與位線的交叉點上有二極管時，數(shù)據(jù)為1；無二極管時，數(shù)據(jù)為0。數(shù)據(jù)存入廠家根據(jù)用戶需要，在有些點做上二極管，有些點不做，就把數(shù)據(jù)存入存儲器了。19存儲矩陣為了便于表達和設(shè)計，通常將右圖簡化。有“碼點”的存儲單元表示存1無“碼點”的存儲單元表示存0地址譯碼器20制作工藝：掩膜，光刻特點：由廠家寫入數(shù)據(jù)，不可更改；掉電不丟失數(shù)據(jù)。存儲器容量：所存儲的二進制數(shù)的位數(shù)。即字數(shù)×位數(shù)/字。設(shè)地址線為n條，數(shù)據(jù)線為m條，則字數(shù)=2n，位數(shù)/字=m。存儲容量=2n×m。D0D1D2D3A1A0存儲器21MOS管存儲器存儲矩陣的工作原理：（以W0為例）當W0=1，W1W2W3=000時，D3D2D1D0=0101地址譯碼器，存儲矩陣，輸出緩沖器均用N溝道MOS管構(gòu)成故有MOS管的點數(shù)據(jù)為1，無MOS管為0。1EN1EN1EN1END3D2D1D0VDDENW0W1W2W30101101001001110227.2.2可編程只讀存儲器（PROM）字線位線VCC原理：在字線和位線上接有帶熔斷絲的三極管熔斷絲不熔斷，相當于有二極管熔斷絲熔斷，相當于無二極管出廠的PROM熔斷絲均未熔斷，由用戶根據(jù)需要將熔斷絲熔斷。P－Programmable23W0D70AWARVCC1數(shù)據(jù)寫入例：將地址為0000的單元寫入01111111①輸入地址碼0000，使W0=1，(選中該組存儲單元)②在D7端加高壓脈沖(20V)，使穩(wěn)壓管DZ導通，寫入放大器AW導通，輸出呈低電平，低內(nèi)阻狀態(tài)，有大電流流過熔斷絲，將其熔斷。I大數(shù)據(jù)讀出輸入地址碼0000，使W0=1，數(shù)據(jù)端不加電壓，AR工作，輸出數(shù)據(jù)讀出時，AR輸出的5V高電平不足以使DZ導通，AW不工作。PROM特點：由用戶一次性寫入數(shù)據(jù)，不能修改，只能讀出。24熔絲、反熔絲

反熔絲編程技術(shù)也稱熔通編程技術(shù)，這類器件是用反熔絲作為開關(guān)元件。這些開關(guān)元件在未編程時處于開路狀態(tài)，編程時，在需要連接處的反熔絲開關(guān)元件兩端加上編程電壓，反熔絲將由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，實現(xiàn)兩點間的連接，編程后器件內(nèi)的反熔絲模式?jīng)Q定了相應(yīng)器件的邏輯功能。字線位線VCC257.2.3可擦除的可編程只讀存儲器（EPROM）Erasable總體結(jié)構(gòu)與PROM一樣，不同之處在于存儲單元，即字線與位線上接的器件(浮柵MOS管或疊柵MOS管)。一、EPROM(UV--UltravioletEPROM紫外線擦除的可編程只讀存儲器)1.浮柵MOS管（以P溝道管為例）①信息存儲原理若浮柵上有電子，則襯底表面可感應(yīng)出空穴，形成導電溝道，可導通，狀態(tài)1NDSPP浮柵DS若浮柵上無電子，則襯底表面無空穴，不能形成導電溝道，不可導通，狀態(tài)0NDSPP26

雪崩注入：在DS間加負高壓(-45V)，使漏極與襯底之間的PN結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，產(chǎn)生大量的自由電子，在強電場的作用下，穿過SiO2，到達浮柵上。將負高壓撤掉后，電子沒有放電通道，只能待在浮柵上，可保存十年左右。③怎樣去掉浮柵上的電子(擦除信息)②怎樣在浮柵上注入電子(寫入信息)加紫外線照射，浮柵上的電子獲得能量，返回PN結(jié)。NDSPP為方便照射，芯片的封裝外殼裝有透明的石英蓋板，平時應(yīng)封上以免日光照射使信息丟失。NDSPP-+27輸入地址碼，使字線W=0（-VDD），在Di端加負高壓脈沖，T1浮柵被注入電子。相當于寫入1。用浮柵管作存儲單元時，需用一只普通的P溝道MOS管與之串聯(lián)（因其無柵極引出線）數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)讀出輸入地址碼，使W=0，Di端不加電壓，T2導通，T1導通，Di讀出1（0V）。-VDDWDiT2T1-VDDDS若T1浮柵上無電子，則T1不導通，Di讀出0（-VDD）282.疊柵MOS管（以N溝道管為例）克服了浮柵管無柵極的缺點，工作時不需加配合管。PDSNNGfGC控制柵GCDS①信息存儲原理若浮柵上無電子，則在GC上加正電壓，襯底表面將感應(yīng)出大量電子，形成導電溝道，可導通，狀態(tài)0若浮柵上有電子，則在GC上加正電壓，由于該電壓與浮柵上的電子有抵消作用，故襯底表面將感應(yīng)出少量電子，不能形成導電溝道，不可導通，狀態(tài)129②怎樣在浮柵上注入電子(寫入信息)在DS間加正高壓，使漏極與襯底之間的PN結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，產(chǎn)生大量的自由電子。同時在控制柵上加正高壓，在此強電場的作用下，電子穿過SiO2，到達浮柵上。PDSNNGC+-+VGG③怎樣去掉浮柵上的電子(擦除信息)紫外線照射。輸入地址碼，使字線W=1（VDD），在Di端加正高壓脈沖，T浮柵被注入電子。相當于寫入1。數(shù)據(jù)寫入+VDDWDiT+VDDDS數(shù)據(jù)讀出輸入地址碼，使W=1，Di端不加電壓，T截止，Di讀出1（+VDD）。30EPROM特點：由用戶寫入，可改寫31二、E2PROM（電可擦除可編程只讀存儲器）ElectricallyErasable用浮柵隧道氧化層MOS管(Flotox管)作存儲單元。特點：不用紫外線擦除，用電信號擦除。GCPDSNNGCDS信息存儲原理與前相同，浮柵上有電子相當于1，無電子相當于0。注入、擦除有所不同。浮柵和漏區(qū)之間的氧化層非常薄，稱為隧道區(qū)。當GC與D之間加高壓時(可正可負)，薄氧化層被擊穿，形成導電隧道，漏區(qū)電子可以到達浮柵(GCD間加正電壓)，浮柵電子也可以到達漏區(qū)(GCD間負電壓)，因此寫入和擦除都可以通過電信號來實現(xiàn)。寫入的數(shù)據(jù)在常溫下至少可以保存十年，擦除/寫入次數(shù)為１萬次～10萬次。

32Flotox管作存儲單元時，需附加一普通MOS管。讀出：令W=+5V，GC=+3V，T2管導通，若T1浮柵上無電子，則T1導通，Di=0V(0)若T1浮柵上有電子，則T1截止，Di=+VDD

(1)WDiT2T1+5VGC+3V+VDD擦除（寫1）：全擦令W=+20V，GC=+20V，Di=0VT2管導通→T1漏極=0V，則GC和D間有正高壓，氧化層被擊穿，漏區(qū)電子被吸引到浮柵上，相當于寫入1。0VWDiT2T1+20VGC+20V+VDD33特點：可電擦除；在正常工作時只能讀出。三、快閃存儲器寫入（寫0）：在有些位寫令W=+20V，GC=0V，Di=20VT2管導通→T1漏極=20V，則GC和D間有負高壓，氧化層被擊穿，浮柵電子通過隧道返回漏區(qū)，相當于寫入0。WDiT2T1+20VGC0V+VDD+20VFLASH存儲器又稱閃存，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)的性能，還不會斷電丟失數(shù)據(jù)同時可以快速讀取數(shù)據(jù)(NVRAM的優(yōu)勢)，U盤和MP3里用的就是這種存儲器。目前Flash主要有兩種NORFlash和NANDFlash。34PDSNGCN浮柵與襯底間的氧化層很薄浮柵與源區(qū)重疊部分面積極小，浮柵與源區(qū)間的等效電容小，浮柵與控制柵間的等效電容大，GCDS當控制柵和源極間加上電壓時，大部分電壓都降在浮柵與源極的電容上。讀出：令W=+5V，VSS=0V，若浮柵上無電子，則導通，Di=0V(0)若浮柵上有電子，則截止，Di=+VDD

(1)WDiGCDSVSS+5V0V+VDDVSS為存儲單元公共端子35WGCDSVSS+12V0V+VDD寫入（寫1）：在有些位寫令W=+12V，VSS=0V，Di=6V則DS間將發(fā)生雪崩擊穿，電子注入浮柵，相當于寫入1。Di6VWGCDSVSS0V12V+VDD擦除（寫0）：全擦令W=0V，VSS=12V，則隧道區(qū)氧化層被擊穿，電子經(jīng)隧道返回，相當于寫入0。PDSNGCN0V6V特點：集成度高，大容量，低成本。367.3隨機存取儲出器RAM特點：可隨機讀寫，掉電丟失數(shù)據(jù)7.3.1靜態(tài)RAM（StaticRAM/SRAM）一、SRAM的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)框圖行地址譯碼存儲矩陣讀寫控制電路列地址譯碼A1AiAi+1An+1……I/OR/WCS存儲矩陣中的存儲單元按行列結(jié)構(gòu)排列；由行地址譯碼器和列地址譯碼器分別選中行線和列線，則可選中一組存儲單元；讀寫控制電路控制數(shù)據(jù)的讀出和寫入當R/W=1時讀出當R/W=0時寫入3738××××××××××××××××××××××××××××××××××××列地址譯碼器讀/寫控制讀/寫控制讀/寫控制讀/寫控制I/O1I/O2I/O3I/O4………………&&R/WCS行地址譯碼器A0A1A2A9A3A4A8X0X1X63Y0Y1Y151024×4位RAM(2114)結(jié)構(gòu)圖Y0…若A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=0000000000表示選中列地址為A2A1A0A9=0000、行地址為A8A7A6A5A4A3=00000000的存儲單元。此時只有X0和Y0為有效，則選中第一個信息單元的4個存儲單元，可以對這4個存儲單元進行讀出或?qū)懭搿?9存儲容量210字×4位/字=1024×4=4096位R/W=1，輸入一組地址碼，則相應(yīng)存儲單元中的數(shù)據(jù)從I/O3~I/O0被讀出。R/W=0，輸入一組地址碼，則相應(yīng)存儲單元中的數(shù)據(jù)從I/O3~I/O0被寫入。CS=0時，選中該片符號I/O0I/O1I/O2I/O3CSR/WA0A1A92114…CS=1時，未選中該片，數(shù)據(jù)不能讀出或?qū)懭耄琁/O端呈高阻態(tài)。40二、SRAM的靜態(tài)存儲單元1.NMOS型靜態(tài)存儲單元T5、T6是存儲單元的門控管，由行線Xi控制；T7、T8是一列存儲單元共用的門控管，由列線Yj控制；&&XiYjVDDT3T1T2T4T5T6T8T7BjBjI/OR/WCSQQA1A3A2G1G2T1~T4構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，Q、Q互相保持；當Xi

=1，Yj=1時，T5~T8均導通；CS=0時，G1、G2打開。41讀出：R/W=1，A2、A3斷開，A1導通數(shù)據(jù)輸出I/O=Bj=Q&&XiYjVDDT3T1T2T4T5T6T8T7BjBjI/OR/WCSQQA1A3A2掉電時，整個電路無法工作，數(shù)據(jù)全部丟失。寫入：R/W=0，A2、A3導通，A1斷開數(shù)據(jù)輸入Q=Bj=I/O；Q=Bj=I/O并保持CS=1時，未選中該片，數(shù)據(jù)不能讀出或?qū)懭?，I/O端呈高阻態(tài)。42SRAM芯片舉例VCCR/W123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDD3D2D1D0SRAM2114管腳圖Intel2114A是1K字×4位SRAM，它是雙列直插18腳封裝器件，采用5V供電，與TTL電平完全兼容。

43靜態(tài)讀寫存儲器（SRAM）集成電路6264簡介采用CMOS工藝制成，存儲容量為8K×8位，典型存取時間為100ns、電源電壓＋5V、工作電流40mA、維持電壓為2V，維持電流為2μA。8K=213，有13條地址線A0~A12；每字有８位，有８條數(shù)據(jù)線I/O0～I/O7；四條控制線446264的工作方式表

452.CMOS型、雙極性靜態(tài)存儲單元CMOS型特點：功耗低，可由備用電池供電保存數(shù)據(jù)，缺點是制造工藝復雜。雙極型特點：速度快，但功耗大。工作原理自學7.3.2動態(tài)隨機存儲器(DRAM)（DynamicRAM）靜態(tài)RAM的缺點：管子多，功耗大，集成度低

優(yōu)點：速度快，使用方便（不用刷新）動態(tài)RAM利用MOS管柵極電容的電荷存儲效應(yīng)存儲信息，需要定期給電容補充電荷，即刷新。以單管電路為例DDRRAM（Double-Date-RateRAM）

46工作原理寫入：X=1，T導通，位線B上的數(shù)據(jù)經(jīng)過T存入CS.讀出：X=1，T導通，Q與B接通，若Q=0，則B=0，若Q=1，則CS對CB充電。但充電后的高電平會降低很多，為破壞性讀出.故需讀出放大器放大且讀出后需刷新（給CS補充電荷，恢復vCS）。字線XT位線BQCSCBCB為分布電容，CB>>CS，47DRAM芯片舉例DRAM2116有七位地址輸入，行、列地址復用的16KⅩ1位的DRAM48常見存儲器規(guī)格型號類型容量SRAMEPROMEEPROMFLASHNVSRAM雙口RAM2K×8611627162816

DS1213B7132/71364K×8

2732

DS1213B

8K×8626427642864

DS1213B

16K×8

27128

32K×862256272562825628F256DS1213D

64K×8

275122851228F512

128K×8628128270102801028F010DS1213D

256K×8628256270202802028F020

512K×8628512270402804028F040DS1650

1M×86281000270802808028F080

49設(shè)地址線為n條，數(shù)據(jù)線為m條，則字數(shù)=2n，位數(shù)/字=m。例：將2片2114(1024×4位)擴展成1024×8位的RAM7.4.1.位擴展方式7.4存儲器容量的擴展存儲容量的含義：能存儲多少位二進制數(shù)。存儲器容量的表示方法：容量=字數(shù)×位數(shù)/字存儲容量=2n×m。方法：將兩片存儲器的地址線，讀寫線，片選線對應(yīng)并接即可。50A0A1…A9

…I/O0I/O1I/O2I/O32114（1）CSR/WI/O0I/O1I/O2I/O3A0A1…A9

…I/O0I/O1I/O2I/O32114（2）CSR/WI/O4I/O5I/O6I/O7A0A1…A9CSR/W對同一地址進行讀寫操作，一次讀寫8位。51將8片(1024×1位)擴展成1024×8位的RAM527.4.2字擴展方式例：將4片2114(1024×4位)擴展成4096×4位的RAM將數(shù)據(jù)線，R/W對應(yīng)并接；將地址線對應(yīng)并接，作低位地址線；高位地址線通過譯碼器接片選端。方法：53…A0A1…A9

I/O0I/O1I/O2I/O32114（1）CSR/WI/O0I/O1I/O2I/O3A0A1…A9

…I/O0I/O1I/O2I/O32114（2）CSR/WA0A1…A9

…I/O0I/O1I/O2I/O32114（4）CSR/W…A0A1…A9

R/WY0Y1Y2Y3A10A11A0A12-4線譯碼器54共1024字共1024字共1024字共1024字分析：A9A8…A1A0A10A11=00時，選中(1)00000000001111111111…A10A11=01時，選中(2)00000000001111111111…A10A11=11時，選中(4)00000000001111111111…A10A11=10時，選中(3)00000000001111111111…557.4.2字和位都擴展方式例：1024×4組成

→2048×8①先進行位擴展，將兩片1024×4擴展成1024×8②再進行字擴展，將兩個1024×8擴展成2048×8A11A10選中片序號對應(yīng)的存儲單元001110012114(1)2114(2)2114(3)2114(4)0000~10231024~20472048~30713072~409556CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D3CSR/WA9A0D2D1D0D32114(1)2114(2)2114(3)2114(4)D0D1D2D3D4D5D6D7A0A9R/W1A10用四片RAM2114組成2048×8位RAM577.5用存儲器實現(xiàn)組合邏輯原理：觀察數(shù)據(jù)表，可發(fā)現(xiàn)此表與真值表相似。地址相當于輸入，數(shù)據(jù)相當于輸出；且表中列出了輸入變量的所有組合方式。000101011011