11 MOS存儲(chǔ)器.ppt

1、MOS存儲(chǔ)器,一存儲(chǔ)器的分類(lèi) 1.只讀存儲(chǔ)器ROM（read only memory） (1).固定式只讀存儲(chǔ)器（掩膜編程ROM）（mask programmed ROM）; (2).可編程只讀存儲(chǔ)PROM(programmed ROM); 如熔絲型，一旦編程完畢，就不能改 以上兩類(lèi)都是不揮發(fā)性的，斷電信息不會(huì)丟失,2.不揮發(fā)性讀寫(xiě)存儲(chǔ)器NVRWM(non-volatile read-write memory) 習(xí)慣稱(chēng)為可擦除型ROM. (1)可擦除型EPROM(erasable PROM)紫外光擦除，一次性全部擦除 （）電可擦除EEPROM(electrically erasable PRO

2、M)浮柵隧道結(jié)構(gòu)，可逐字擦寫(xiě)，速度快，不需從設(shè)備上取出價(jià)格較貴 （）閃爍型 復(fù)柵結(jié)構(gòu)，比EEPROM簡(jiǎn)單，通常用作可變信息的存儲(chǔ),3.隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM(random access memory) 揮發(fā)性的. （）靜態(tài)SRAM：采用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作為存儲(chǔ)元件沒(méi)有外界觸發(fā)信號(hào)時(shí)，不改變狀態(tài)只要有電源，信號(hào)保持 （）動(dòng)態(tài)DRAM，利用電容來(lái)存儲(chǔ)信息，需刷新 優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)單元的元件數(shù)少，單元面積小，功耗低，適 合大規(guī)模集成； 缺點(diǎn)：需要復(fù)雜的刷新電路，對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格要求，速度 比靜態(tài)慢,4.順序存取存儲(chǔ)器SAM(sequential access memory) 非隨機(jī)存取的，存取次序受到限制: (1)

3、先進(jìn)先出存儲(chǔ)器FIFO(first-in first-out ); (2)后進(jìn)先出存儲(chǔ)器LIFO(last-in first-out ); (3)移位寄存器(shift register); (4)按內(nèi)容存取存儲(chǔ)器(contents-addressable memory,CAM).,二存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu),如果選擇位的信號(hào)來(lái)自片外或芯片上的其他部分時(shí)，會(huì) 造成無(wú)法封裝或連線(xiàn)的問(wèn)題因此要采用譯碼的方法來(lái)減少 地址線(xiàn)的數(shù)目 通常存儲(chǔ)單元組成陣列形式地址分為列地址和行地 址行地址是使存儲(chǔ)器的一行可以讀和寫(xiě)，列地址是從被選 擇的行中排選出所需要的字 以1M，字長(zhǎng)為16為例，設(shè)計(jì)成1024*1024，一行有64

4、個(gè)字 (64*16=1024)，列地址需要位，產(chǎn)生16*64條列選擇線(xiàn)行地址為10位，產(chǎn)生1024條行選擇線(xiàn),我們把行選擇線(xiàn)成為字線(xiàn)(word line)，把連接 輸入/輸出電路的列選擇線(xiàn)稱(chēng)為位線(xiàn)(bit line),列,為了縮短存取時(shí)間和降低功耗，一般存儲(chǔ)單元上的電壓 擺幅都很?。ㄈ?.5v），無(wú)法達(dá)到外界所需要的正常幅 度，所以要加靈敏放大器,更大容量的存儲(chǔ)器要分成若干個(gè)存儲(chǔ)塊（BLOCK） 組合起來(lái)，并額外有塊地址來(lái)選擇其中的某一塊,三MOS動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)單元的工作原理 當(dāng)W 時(shí)，導(dǎo)通，可以把數(shù)據(jù)寫(xiě)入，存在Cs中，或從Cs中讀出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)“”和“”是以s上電荷的多少來(lái)辨別的 某行

5、的W時(shí)，該行的導(dǎo)通Cs與連通，Cs與位線(xiàn)電容CBL是并聯(lián)關(guān)系,(1) 讀操作 在讀之前，位線(xiàn)先預(yù)充到Vpre(約2.5V)當(dāng)W=1， 導(dǎo)通電荷在CBL和Cs之間再分配，從而導(dǎo)致位線(xiàn)電平的 變化,：Cs上的初始電壓,：電荷再分配后的位線(xiàn)電壓,:電荷轉(zhuǎn)移比,一般為0.05PFCBL約為PF，電荷轉(zhuǎn)移比一般在1%-10%之間V250mv,討論： V很小，要有靈敏放大器； 轉(zhuǎn)移比要盡量大，在小面積得到盡可能大的電容是設(shè)計(jì)關(guān)鍵； 讀取過(guò)程是“破壞性”的，CS中的電荷量發(fā)生了變化，讀和刷新要結(jié)合在一起,(2) 寫(xiě)操作 例如寫(xiě)“”，先選擇指定的位線(xiàn)，B=1，然后升高字線(xiàn)使導(dǎo)通對(duì)Cs充電，這時(shí)會(huì)有閾值損失有效

6、方法是將自舉到大于VDD的值 寫(xiě)“”的時(shí)侯是放電,.存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu) 一般采用三維結(jié)構(gòu)，例如溝槽型，槽壁和槽底都作為電容的極板,Cs,3.靈敏放大器和偽單元,（1）靈敏放大器 由交叉耦合的CMOS反相器構(gòu)成，接在每一列的中間。EQ=1，先將BLL和BLR左右兩條位線(xiàn)預(yù)充到 ，,使觸發(fā)器處在亞穩(wěn)點(diǎn)，然后EQ=0.,讀寫(xiě)時(shí)位線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn) ，當(dāng) 足夠大時(shí)，SE=1，靈敏放大器工作，觸發(fā)器將根據(jù) 的情況，進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)（0或1）。由于是正反饋，轉(zhuǎn)變非常迅速。 特點(diǎn)： 簡(jiǎn)單，快速。輸入端和輸出端是合在一起的，放大 后的信號(hào)仍作用于位線(xiàn)上，可以對(duì)單元進(jìn)行刷新，這是單管單元?jiǎng)討B(tài)存儲(chǔ)器必需的。,（2）偽單元（

7、dummy cell） 存儲(chǔ)單元是單端結(jié)構(gòu)，為了變成雙端差分式，要在靈敏放大器的左右兩端各增加一個(gè)偽單元，與正式單元完全一樣。 作用：（1）提供參考電壓; （2）減少或者補(bǔ)償各種干擾，防止兩側(cè)不相等的電位漂移和時(shí)鐘脈沖引起的耦合干擾，提高放大器靈敏度。,工作原理： EQ=1時(shí)，BLL和BLR被預(yù)充到 ，同時(shí)L=R=1,把偽單元也預(yù)充到 。在讀操作時(shí)，假如陣列左邊一個(gè)單元被選中，BLL將變化V，這同時(shí)R=1，使右邊的偽單元選擇而給出參考電壓，BLR= ，當(dāng)BLL高于 時(shí)，輸出為1，否則為0。保證了放大器工作可靠。 討論： （1）將位線(xiàn)一分為二減小了位線(xiàn)的電容值，增加了電荷轉(zhuǎn)移比; （2）二邊完全

8、對(duì)稱(chēng)非常重要。,四、MOS靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,SRAM不需要時(shí)鐘和刷新，工作穩(wěn)定，單元簡(jiǎn)單，外 圍電路也比DRAM簡(jiǎn)單,(1)MOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元 用基本觸發(fā)器做為存貯單元，T3、T4是存取晶體管(NMOS傳輸門(mén))。負(fù)載可以是R，飽和E/E，非飽和E/E，PMOS(CMOS)。 W=1時(shí)，可以寫(xiě)入或讀出 W=0時(shí)，維持狀態(tài),目前用的最多的是電阻負(fù)載，用不摻雜的多晶硅做電阻。相比CMOS靜態(tài)單元，PMOS被改為電阻，連線(xiàn)問(wèn)題被簡(jiǎn)化，單元尺寸明顯減小。為了減小功耗，R較大,但會(huì)影響速度，也會(huì)使單元尺寸加大。CMOS的優(yōu)點(diǎn)是功耗小。,寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，首先把數(shù)據(jù)傳給位線(xiàn)，然后W=1，數(shù)據(jù)就寫(xiě)入了。 讀信息時(shí)，

9、先把位線(xiàn)B和都充到VDD/2，然后W=1，這可使位線(xiàn)上的信號(hào)差幅度減小，提高了速度。 目前，相同容量的SRAM價(jià)格是DRAM的8倍左右，面積則將近大4倍，所以SRAM常用于快速存儲(chǔ)的較低容量的RAM需求，比如Cache(緩存）等。,CMOS靜態(tài)存貯單元圖形,五、EPROM,(1)浮柵晶體管(floating-gate transistor),特點(diǎn)： 1在普通MOS管的柵與溝道之間插一多晶硅層，它與 誰(shuí)也不連接，稱(chēng)為浮柵 2因?yàn)橛懈?，跨?dǎo)，VT （相比普通MOS管） 3 VT可以改變，即可以編程。當(dāng)在源與柵漏之間加1520V的編程電壓時(shí)，DS方向強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)引發(fā)雪崩效應(yīng)，電子獲得足夠的能量（3.2

10、ev），借助VGS而穿過(guò)SiO2進(jìn)入浮柵。所以浮柵晶體管也稱(chēng)為浮柵雪崩注入MOS管(floating gate avalanche-injection MOS transistor-FAMOS) 當(dāng)浮柵上電子積累時(shí)，也降低了氧化層上的電場(chǎng)，最后會(huì)達(dá)到平衡。如果撤去外電壓，浮柵上將為負(fù)電位，這等于加大了MOS管的VT。為了使MOS管導(dǎo)通，需要加更高的電壓克服浮柵上的負(fù)電荷的影響。,(2)EPROM工作原理 編程后的MOS管VGS=5V時(shí)已不能開(kāi)啟(VGS7V)，等效為關(guān)斷，即字線(xiàn)和位線(xiàn)的交叉處不存在MOS管(狀態(tài)1)。沒(méi)有編程的MOS管VGS=5V可以打開(kāi)(狀態(tài)0)。 由于浮柵被SiO2包圍，切

11、斷電源后電荷仍可以在浮柵上駐留若干年，即是不揮發(fā)性的。 強(qiáng)紫外光的光子能量為4.9ev，超過(guò)了SiO2和之間的勢(shì)壘高度。所以用紫外光照射時(shí)，浮柵上的電子會(huì)獲得能量，回到了襯底材料中。這樣就起到了擦除的作用。 討論：EPROM存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)單、緊湊，適宜制作大規(guī)模的ROM，價(jià)格較低，適合于不需要經(jīng)常重復(fù)編程的場(chǎng)合。,六、E2PROM,是浮柵晶體管的改進(jìn)型：浮柵上有一延長(zhǎng)區(qū)，它與漏之間的SiO2厚度只有10nm左右(浮柵是幾十100nm)。當(dāng)柵-漏加上10V電壓時(shí)，E=109v/m，電子會(huì)由于遂道效應(yīng)穿過(guò)氧化層到達(dá)浮柵。,優(yōu)點(diǎn)：編程可逆。VGD=10V時(shí)電子進(jìn)入浮柵，擦除時(shí)VGD=-10V，電子從浮柵掃向襯底。 缺點(diǎn)： VT的控制難：VT不僅取決于浮柵上初始負(fù)電荷的數(shù)目，也取決于移走了多少負(fù)電荷。移走太多電荷可能會(huì)使MOS管成為耗盡型，字線(xiàn)為零時(shí)也導(dǎo)通。,解決方法： 單元中增加常規(guī)MOS管。 浮柵MOS管只完成儲(chǔ)存負(fù)電荷的功能。編程時(shí)，使浮柵MOS管VTVDD，擦除后，VTVDD，相當(dāng)于常規(guī)MOS 管的源接地。 優(yōu)點(diǎn)：擦寫(xiě)次數(shù)多，使用方便 缺點(diǎn)：?jiǎn)卧?/p>