第六章MOS存儲(chǔ)器

第六章MOS存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是各種處理器的主要存儲(chǔ)部件，并廣泛應(yīng)用于SoC及其它電子設(shè)備中，按功能可分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）兩大類，分別用作固定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和臨時(shí)數(shù)據(jù)緩存。1§6-1

存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)2思索題

1.存儲(chǔ)器一般由哪幾部分組成？

2.設(shè)計(jì)譯碼電路時(shí)應(yīng)留意什么問題？

3.多級(jí)譯碼電路有什么優(yōu)點(diǎn)？？36.1.1存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖讀寫控制列譯碼器輸入/輸出(N

M

)控制信號(hào)數(shù)據(jù)m位列地址n位行地址行譯碼器存儲(chǔ)體各種存儲(chǔ)器都有各自的特點(diǎn)，但它們的結(jié)構(gòu)大體上是一樣的。46.1.2存儲(chǔ)體

存儲(chǔ)體是由若干個(gè)存儲(chǔ)單元組成的陣列，若字?jǐn)?shù)為N，每個(gè)字的位數(shù)為M，則表示為NM

（與行數(shù)和列數(shù)可能有差別，行數(shù)N，列數(shù)M，行數(shù)列數(shù)=N

M）。不同類別存儲(chǔ)器有不同的存儲(chǔ)單元，但是有共同的特點(diǎn)：每個(gè)存儲(chǔ)單元有兩個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，分別代表二進(jìn)制信息“0”和“1”。(N

M

)存儲(chǔ)體56.1.3地址譯碼器m位列地址列譯碼器n位行地址行譯碼器(N

M

)存儲(chǔ)體

存儲(chǔ)體中的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有自己唯一的地址（行、列），地址譯碼器就是將地址信號(hào)譯成具體的選擇地址。

一般將地址信號(hào)分為行地址信號(hào)和列地址信號(hào)，因此地址譯碼器分為行地址譯碼器和列地址譯碼器。66.1.4行地址譯碼器

1.基本原理行譯碼器電路的輸入是來源于地址緩沖器的N位二進(jìn)制地址，首先產(chǎn)生具有合適驅(qū)動(dòng)實(shí)力的正反地址信號(hào)，然后通過編碼電路譯成對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)體每一行的地址信號(hào)（一般稱為字線）。A2A1A0A3字線76.1.4行地址譯碼器

2.多級(jí)譯碼技術(shù)對(duì)于大容量存儲(chǔ)器通常選擇二級(jí)譯碼技術(shù)，即將地址信號(hào)先分組譯碼（2-4譯碼、3-8譯碼），再接受集中編碼，可以有效地提高譯碼速度。A2A1A03-8譯碼L7L6L5L4L3L2L1L0A3A42-4譯碼H3H2H1H0L0H0L1H0L7H386.1.4行地址譯碼器

3.地址同步限制由于地址信號(hào)到達(dá)時(shí)間不一樣，易引起字線的波動(dòng)，造成讀寫錯(cuò)誤和功耗增加等現(xiàn)象。為了防止此現(xiàn)象發(fā)生，可加一地址輸入使能信號(hào)限制。A2A1A0En字線96.1.4行地址譯碼器

4.電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

相鄰兩個(gè)與非門的輸入只有一個(gè)不同且反相的信號(hào)，因此可以將這兩個(gè)與非門電路和并優(yōu)化，簡(jiǎn)化電路，縮小芯片面積。VDDABFCDABCD106.1.5列地址譯碼器

1.基本原理列譯碼器的輸入是來源于地址緩沖器的M位二進(jìn)制地址，一般先產(chǎn)生具有合適驅(qū)動(dòng)實(shí)力的正反地址信號(hào)，再通過樹狀開關(guān)選擇電路構(gòu)成對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)體每一列（位線）的地址信號(hào)組合。Di位線116.1.5列地址譯碼器

2.開關(guān)樹的設(shè)計(jì)對(duì)于大容量存儲(chǔ)器通常用四選一和二選一的組合，以避開開關(guān)樹的層次過多而影響速度。CMOS開關(guān)樹性能較好。四選一四選一四選一四選一四選一四選一四選一四選一四選一四選一二選一列地址選擇信號(hào)126.1.6讀寫限制及輸入輸出電路讀寫限制電路是對(duì)存儲(chǔ)器讀操作和寫操作時(shí)序上的限制，主要包括地址譯碼器和數(shù)據(jù)輸入輸出電路的限制。輸入輸出電路是在限制電路的限制下，將數(shù)據(jù)寫入譯碼器指定地址的存儲(chǔ)單元中或?qū)⒅付ǖ刂反鎯?chǔ)單元中的數(shù)據(jù)輸出。不同的存儲(chǔ)器有不同的讀寫限制及輸入輸出電路，具體電路依據(jù)存儲(chǔ)器的類別和具體要求而定。13§6-2

MaskROMMaskROM（掩膜編程只讀存儲(chǔ)器——MaskRead-OnlyMemory）14思索題

1.MaskROM的特點(diǎn)是什么？

2.MaskROM是如何存儲(chǔ)信息“0”和信息“1”的？156.2.1MaskROM的特點(diǎn)MaskROM由用戶供應(yīng)碼點(diǎn)數(shù)據(jù)（要存儲(chǔ)的固定數(shù)據(jù)），由芯片設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)版圖，由生產(chǎn)廠家制版、流片加工。芯片一旦制成，存儲(chǔ)的信息無法變更，用戶運(yùn)用時(shí)只能讀出已固化的數(shù)據(jù)，掉電信息也不會(huì)丟失。因此，MASKROM只能用來存儲(chǔ)固定信息。166.2.2E/DNMOS或非存儲(chǔ)陣列Vcc字位WordBit176.2.3準(zhǔn)NMOS或非存儲(chǔ)陣列Vcc位WordBit186.2.4預(yù)充低功耗結(jié)構(gòu)或非存儲(chǔ)陣列Vcc位WordBit196.2.5預(yù)充結(jié)構(gòu)與非存儲(chǔ)陣列Vcc字Word206.2.6母片形式的與非存儲(chǔ)陣列216.2.7與或非存儲(chǔ)陣列字Word位BitVcc226.2.8輸出電路一般可以接受倒相器、倒相器鏈、寄存器，鎖存器、觸發(fā)器等，個(gè)數(shù)與同時(shí)輸出的位數(shù)相同。QDCP236.2.8MaskROM應(yīng)用實(shí)例

1.

96字符發(fā)生器字符由57點(diǎn)陣構(gòu)成，通過限制35個(gè)點(diǎn)的明暗來顯示字符圖形。接受或非存儲(chǔ)陣列（9635）：每個(gè)字線上排列35個(gè)單元，對(duì)應(yīng)35個(gè)點(diǎn)，即每個(gè)字有35位，有MOS管的單元對(duì)應(yīng)亮點(diǎn)。96個(gè)字符對(duì)應(yīng)96條字線，每個(gè)字的對(duì)應(yīng)位相接。也可接受4870陣列，每個(gè)字線對(duì)應(yīng)2個(gè)字符，通過列譯碼分選字符輸出。246.2.8MaskROM應(yīng)用實(shí)例

2.液晶七段數(shù)碼顯示器數(shù)碼7段構(gòu)成，通過限制7個(gè)段的明暗來顯示數(shù)碼圖形。接受或非存儲(chǔ)陣列（107）：每個(gè)字線上排列7個(gè)單元，對(duì)應(yīng)7個(gè)段，即每個(gè)字有7位，有MOS管的單元對(duì)應(yīng)亮段。10個(gè)數(shù)字符對(duì)應(yīng)10條字線，每個(gè)字的對(duì)應(yīng)位相接。25§6-3EPROMEPROM（可擦除可編程ROM——Erasable-ProgrammableRead-OnlyMemory）26思索題

1.EPROM的特點(diǎn)是什么？

2.EROM是如何存儲(chǔ)信息“0”和信息“1”的？276.3.1EPROM的特點(diǎn)用戶可以依據(jù)具體須要對(duì)EPROM存儲(chǔ)的信息進(jìn)行擦除和重寫。擦除是用紫外線或X射線擦除器對(duì)芯片進(jìn)行照射（約30分鐘），信息是一次性全部擦除，不能逐字或部分擦除；寫入是運(yùn)用專用編程器進(jìn)行寫入（須要較高的電壓），信息寫入后掉電不丟失。擦除和寫入都要脫機(jī)進(jìn)行，即不能在線擦除和寫入。因此，EPROM是用來存儲(chǔ)相對(duì)固定的信息。286.3.2FAMOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

1.FAMOS器件結(jié)構(gòu)

FAMOS管的柵極四周被絕緣介質(zhì)包圍，是浮空的，所以稱為“浮柵”。FAMOS管的浮柵上初始狀態(tài)是沒有電荷的，處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)浮柵上有足夠的電荷時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)。這兩種狀態(tài)分別代表存有“0”和“1”。Floating-gateAvalance-injectionMOS浮柵雪崩注入MOSN-subSiP+P+SDP溝FAMOS296.3.2FAMOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

2.FAMOS浮柵充電原理0V-30VΘΘΘΘΘN-subSiP+P+SD漏極加較高的負(fù)電壓時(shí)，漏區(qū)pn結(jié)溝道一側(cè)表面的耗盡層中發(fā)生雪崩倍增，由此產(chǎn)生的高能電子越過Si-SiO2界面勢(shì)壘，并在SiO2中電場(chǎng)作用下進(jìn)入浮柵，當(dāng)浮柵帶上足夠多的負(fù)電荷時(shí)，MOS管處于導(dǎo)通態(tài)。N-subSiP+P+ΘΘΘSD306.3.2FAMOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

3.FAMOS存儲(chǔ)單元陣列X0Xn-1Y0Ym-1VS每個(gè)存儲(chǔ)單元有一個(gè)一般MOS管和一個(gè)FAMOS管組成。一般MOS管作為門控管，其柵極為字線，漏及為位線，是存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)輸入輸出端口。316.3.3SIMOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

1.SIMOS器件結(jié)構(gòu)

Stacked-gateInjectionMOS迭柵注入MOSP-subSiN+N+N溝SIMOS管SDGSIMOS管是雙層多晶柵結(jié)構(gòu)，下層多晶稱為“浮柵”，上層多晶為限制柵。SIMOS管的浮柵上沒有電荷時(shí)，開啟電壓較低，當(dāng)浮柵上有負(fù)電荷時(shí)，開啟電壓上升。因而，限制柵接高電平常，就有導(dǎo)通和截止之分，分別代表存有“0”和“1”。326.3.3SIMOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

2.SIMOS浮柵充電原理P-subSiN+N+SDGP-subSiN+N+SDGΘΘΘ在漏和源之間加較高的電壓，使電子加速，“熱電子”能量超過SiO2-Si界面勢(shì)壘，再借助于限制柵G上附加的正電壓，電子注入到浮柵中，浮柵帶負(fù)電，開啟電壓變高。+V+VVss336.3.3SIMOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

3.SIMOS存儲(chǔ)單元陣列每個(gè)存儲(chǔ)單元有SIMOS管組成。其限制柵極為字線，漏極是存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)輸入輸出端口，為位線。X0Xn-1Y0Ym-1VS34§6-4EEPROMEEPROM（電可擦除可編程ROM——Electrically

Erasable-ProgrammableRead-OnlyMemory）35思索題

1.EEPROM的特點(diǎn)是什么？

2.EEROM是如何存儲(chǔ)信息“0”和信息“1”的？366.4.1EEPROM的特點(diǎn)用戶可以依據(jù)具體須要對(duì)EEPROM存儲(chǔ)的信息進(jìn)行擦除和重寫。擦除和寫入可以在線進(jìn)行，也可以運(yùn)用專用編程器進(jìn)行。信息可以一次全部擦寫，也可以逐字、逐位或分區(qū)擦寫；擦寫過程須要較高電壓，目前一般在片內(nèi)產(chǎn)生。信息寫入后掉電不丟失。由于EEPROM在線擦寫速度較慢，一般用來存儲(chǔ)須要在線更改且相對(duì)固定的信息。376.4.2Flotox結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

1.Flotox

器件結(jié)構(gòu)

Floating-gate

tunneloxide浮柵隧道氧化物P-subSiN+SDGN+埋N+P-subSiN+SDGN+埋N+FFkk浮柵延長區(qū)的下面有一個(gè)超薄氧區(qū)（隧道氧化層），超薄氧區(qū)下面是由離子注入形成的埋N+區(qū)，埋N+區(qū)與MOS管的漏區(qū)相連，限制柵覆蓋浮柵。386.4.2Flotox結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

2.F-N隧道效應(yīng)

(Fowler-Nordheim)當(dāng)隧道氧化層中的電場(chǎng)達(dá)到107V/cm以上時(shí)，電子可以穿越隧道氧化層，對(duì)浮柵充電或使浮柵放電（確定于電場(chǎng)方向），過程可逆。P-subSiN+SDGN+埋N+P-subSiN+SDGN+埋N+FFkk396.4.2Flotox結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

3.浮柵充電當(dāng)限制柵與漏之間加較高的正向電壓時(shí)，漏區(qū)電子穿越隧道氧化層到達(dá)浮柵，使浮柵充上負(fù)電荷，開啟電壓上升。此時(shí)，當(dāng)限制柵加正常高電平常，MOS管不能導(dǎo)通。P-subSiN+SDGN+埋N+P-subSiN+SDGN+埋N+FFkk406.4.2Flotox結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

4.浮柵放電P-subSiN+SDGN+埋N+P-subSiN+SDGN+埋N+FFkk當(dāng)漏與限制柵之間加較高的正向電壓時(shí)，浮柵中的負(fù)電荷穿越隧道氧化層放電到漏區(qū)，開啟電壓下降。此時(shí)，當(dāng)限制柵加正常高電平常，MOS管導(dǎo)通。416.4.2Flotox結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

5.Flotox結(jié)構(gòu)的

存儲(chǔ)單元陣列X0Xn-1VSY0Ym-1D0DkVCG

EEPROM的擦寫方式有多種，不同的擦寫方式有不同的陣列連接方式。426.4.3MNOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

1.MNOS

器件結(jié)構(gòu)

Metal-Nitride-Oxide-SiliconSiO2和Si3N4界面處存在密度很高界面能級(jí)，這些能級(jí)對(duì)電子起陷阱作用。P-subSiN+N+SDGpolySi3N4SiO2436.4.3MNOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

2.干脆隧道效應(yīng)在確定電場(chǎng)作用下，硅中的電子穿過SiO2禁帶干脆進(jìn)入SiO2和Si3N4界面能級(jí)陷阱中，或者界面能級(jí)陷阱中俘獲的電子穿過SiO2禁帶干脆進(jìn)入硅中，這種現(xiàn)象被稱作干脆隧道效應(yīng)。P-subSiN+N+SDGpolySi3N4SiO2446.4.3MNOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元

3.MNOS結(jié)構(gòu)的

存儲(chǔ)單元陣列X0Xn-1Y0Ym-1VSVG456.4.4片內(nèi)高壓產(chǎn)生電路（電荷泵）VddVppClk利用電容的自舉作用將電壓逐級(jí)上升，接受適當(dāng)?shù)募?jí)數(shù)達(dá)到要求值。為了便利用戶在線編程，通常設(shè)計(jì)片內(nèi)自產(chǎn)生高壓電路。46§6-5SRAM

SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器——StaticRandom-Access

Memory）47思索題

1.SRAM的特點(diǎn)是什么？

2.SRAM是如何存儲(chǔ)信息“0”和信息“1”的？

3.SRAM讀出放大器的作用是什么？

4.多端口SRAM的優(yōu)點(diǎn)是什么？486.5.1SRAM的特點(diǎn)SRAM是數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分，即使不同的系統(tǒng)也可以運(yùn)用相同的SRAM，因此SRAM是一種能大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電路，目前嵌入式SRAM也占有相當(dāng)重要地位。數(shù)字系統(tǒng)可依據(jù)須要在工作中對(duì)SRAM存儲(chǔ)的信息隨時(shí)進(jìn)行讀取和重新寫入。SRAM的核心部分是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)的信息在掉電后將全部丟失，一般用來存儲(chǔ)臨時(shí)緩存數(shù)據(jù)。496.5.2SRAM存儲(chǔ)單元電路SRAM的存儲(chǔ)單元是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)RS觸發(fā)器。WBBWBBWBB506.5.3SRAM存儲(chǔ)單元工作原理單元被選中時(shí)，字線(W)為“1”，打開門控管；位線（數(shù)據(jù)通路）被打開。WBB寫入時(shí)，外部送到位線(B和B)的數(shù)據(jù)強(qiáng)迫雙穩(wěn)態(tài)單元處于對(duì)應(yīng)的一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

讀出時(shí)，單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過打開的門控管傳到位線(B和B)輸出。字線恢復(fù)為“0”，數(shù)據(jù)通路關(guān)閉，讀或?qū)戇^程結(jié)束。51WBB6.5.4SRAM存儲(chǔ)單元版圖SRAM存儲(chǔ)陣列中的每個(gè)單元均是相同的，每個(gè)單元都有公共的電源和地線，每行上的單元有公共的字線，每列上的單元有公共的位線。因此，單元版圖設(shè)計(jì)時(shí)，因考慮公用端的連接，減小單元面積。526.5.5SRAM的數(shù)據(jù)輸入/輸出電路DinBBDoutW/Rbuf1buf2buf寫:

W/R為“1”時(shí)，輸入三態(tài)緩沖器buf1和buf2打開，數(shù)據(jù)Din被傳送到位線B和B；同時(shí)輸出三態(tài)緩沖器buf被鎖住，輸出保持原來數(shù)據(jù)Dout。讀：W/R為“0”時(shí)，輸入三態(tài)緩沖器buf1和buf2被鎖住，輸出三態(tài)緩沖器buf被打開，被選存儲(chǔ)單元送到位線B和B上的數(shù)據(jù)被輸出到Dout。536.5.6SRAM的讀出放大電路由于追求存儲(chǔ)單元單元面積小、功耗低，器件尺寸設(shè)計(jì)的較小，因而驅(qū)動(dòng)實(shí)力很弱，然而位線上寄生電容又較大，因此數(shù)據(jù)輸出時(shí)在字線上產(chǎn)生的信號(hào)很弱，必需經(jīng)過放大。同時(shí)應(yīng)還接受提高速度、降低功耗措施。為“0”時(shí)，放大器與地?cái)嗦?，降低功耗；同時(shí)平衡預(yù)充電路使放大器兩端B和B平衡并預(yù)充為“1”。為“1”時(shí)平衡電路關(guān)閉，放大器工作。BB平衡預(yù)充電路放大器電路VDD546.5.7SRAM整體結(jié)構(gòu)電路示意圖W/REnDin1Dout1DinxDoutx556.5.8單端口SRAM的特點(diǎn)

單端口SRAM是發(fā)展最早的一類SRAM。讀和寫共用一套地址譯碼電路和數(shù)據(jù)字線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、面積小，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字系統(tǒng)。由于結(jié)構(gòu)限制，單端口SRAM一次只能為一項(xiàng)任務(wù)供應(yīng)讀或?qū)懙脑L問。因此，作為共享存儲(chǔ)器時(shí)，不能快速、剛好地被系統(tǒng)充分利用，對(duì)提高系統(tǒng)速度不利。存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)應(yīng)考慮讀與寫需求之間的沖突。WBB566.5.9多端口SRAM單元

1.1讀1寫兩端口單元WaBaBaBbWb576.5.9多端口SRAM單元

2.2讀1寫三端口單元WaBaBaBcBbWbWc586.5.10多端口SRAM的特點(diǎn)多端口SRAM可以有多套地址譯碼電路和多套數(shù)據(jù)位線分別與每個(gè)端口對(duì)應(yīng)，作為共享存儲(chǔ)器時(shí)，可以為系統(tǒng)多項(xiàng)任務(wù)同時(shí)供應(yīng)讀和寫的訪問。但是，不允許對(duì)同一存儲(chǔ)單元同時(shí)進(jìn)行多個(gè)寫，也不能對(duì)同一存儲(chǔ)單元同時(shí)讀和寫。由于讀寫位線分別，避開了讀寫對(duì)單元要求的沖突。59§6-6DRAM

DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器——DynamicRandom-Access

Memory）60思索題

1.DRAM的特點(diǎn)是什么？

2.DRAM是如何存儲(chǔ)信息“0”和信息“1”的？

2.DRAM為什么須要讀出再生放大器？616.6.1DRAM的特點(diǎn)DRAM是RAM中的另一大類，其特點(diǎn)是信息以電荷的形式存儲(chǔ)在MOS器件的柵電容或電路的節(jié)點(diǎn)電容上。單元面積小，集成度高，是集成電路階段發(fā)展的代表性產(chǎn)品。由于節(jié)點(diǎn)的漏電，DRAM存儲(chǔ)的電荷（信息）會(huì)漸漸消逝，為了使信息得以保存，必需定時(shí)再生。掉電后，DRAM存儲(chǔ)信息將全部丟失。626.6.2DRAM單管存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)

單管存儲(chǔ)單元由一個(gè)門控MOS管和一個(gè)電容組成。

電容Cs由柵電容（主要部分）和pn結(jié)電容構(gòu)成。工作時(shí)，柵電容的上電極多晶硅端接VDD，使P型襯底表面形成反型層，形成電容的下電極，它與MOS管的源極相連。信息存儲(chǔ)在電容Cs上。WVDDBWBP-subCs636.6.3DRAM單管存儲(chǔ)單元的工作原理

1.信息的寫入要寫入的數(shù)據(jù)由輸入電路加到選中單元的位線（B）上；被選中單元的字線（W）上加高電平，電容Cs通過打開的門控管被充電或放電；字線（W）回落到低電平，門控管截止，信息就被存儲(chǔ)在Cs上（有電荷或無電荷）。WVDDBWBP-subCs646.6.3DRAM單管存儲(chǔ)單元的工作原理

2.信息的讀出被選中單元的字線（W）上加高電平，門控管打開，電容Cs上有電荷或無電荷的狀態(tài)通過MOS管被送到位線（B）上，即Cs上原存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被讀出；WVDDBWBP-subCs656.6.4DRAM存儲(chǔ)陣列W0B0B1B2B3W1W2W3666.6.5DRAM讀出時(shí)的問題