1、Digital Electronics Technology第七章第七章 半导体存储器半导体存储器Digital Electronics Technology本章要点：本章要点：1.1.只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)电路结构及特点。电路结构及特点。 PROM,EPROM,flash ROM,PROM,EPROM,flash ROM,2. 2. 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)(RAM)的电路结构及特点。的电路结构及特点。 SRAM,DRAM,SRAM,DRAM,3.3.多片多片RAMRAM的字和位同时扩展。的字和位同时扩展。Digital Electronics Technol
2、ogy第七章第七章 半导体存储器半导体存储器7.1 概述能存储大量二值信息的器件一、一般结构形式！单元数庞大！输入/输出引脚数目有限Digital Electronics Technology二、分类二、分类1、从存、从存/取功能分：取功能分：只读存储器只读存储器( (Read-Only-Memory）随机读随机读/ /写写（Random-Access-Memory）2、从工艺分：、从工艺分：双极型双极型MOS型型PROMEEPROMROMROM2电电可可擦擦除除的的可可编编程程可可擦擦除除的的可可编编程程可可编编程程掩掩模模RAMRAM动态静态Digital Electronics Tech
3、nology最新式存储器：最新式存储器： FLASH MEMORYFLASHFLASH原理原理-U-U盘存储方式盘存储方式经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多
4、粒子冲量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好象有一向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作个隧道，称作“量子隧道（量子隧道（quantum tunnelingquantum tunneling）”。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧道击穿的几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也道击穿的几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道
5、效应也会出现。会出现。Digital Electronics Technology发现者发现者19571957年，受雇于索尼公司的年，受雇于索尼公司的江崎江崎 玲於玲於奈奈（Leo EsakiLeo Esaki，19251925）在改良高频晶体）在改良高频晶体管管2T72T7的过程中发现，的过程中发现，重掺杂锗和硅在重掺杂锗和硅在增增加电压时，参杂了含有大量不纯物质的加电压时，参杂了含有大量不纯物质的PN结二极管中的电流反而减少的负阻现象。结二极管中的电流反而减少的负阻现象。江崎博士认为这种现象是由电子空穴直接江崎博士认为这种现象是由电子空穴直接穿透结区而产生的。穿透结区而产生的。1958年江
6、崎博士发表年江崎博士发表了关于隧道二极管的论文。这种固体内部了关于隧道二极管的论文。这种固体内部的隧道效果后被叫做的隧道效果后被叫做“隧道分光学隧道分光学”，开，开拓了新的固体内部电子的研究领域。从此拓了新的固体内部电子的研究领域。从此金属和超导体的隧道现象的研究有了飞跃金属和超导体的隧道现象的研究有了飞跃发展。由于这一成就，江崎博士与发展。由于这一成就，江崎博士与B.D.约约瑟夫森和瑟夫森和I.贾埃佛共同获得贾埃佛共同获得1973年度诺贝年度诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。Digital Electronics Technology1960年，美裔挪威籍科年，美裔挪威籍科学家加埃沃（学家加埃沃（
7、Ivan Giaever，1929）通）通过实验证明了在超导体过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的道效应。在此之前的1956年出现的年出现的“库珀对库珀对”及及BCS理论被公认为是理论被公认为是对超导现象的完美解释，对超导现象的完美解释，单电子隧道效应无疑是单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要对超导理论的一个重要补充。补充。 Digital Electronics Technology1962年，年仅年，年仅20岁的英国剑桥大岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940）预
8、言，当两个超导体之）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成间设置一个绝缘薄层构成SIS（Superconductor-Insulator-Superconductor）时，电子可以）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为言不久就为P.W.安德森和安德森和J.M.罗厄罗厄耳的实验观测所证实耳的实验观测所证实电子对电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为（厚度约为10埃）时发生了隧道埃）时发生了隧道效应，于是称之为效应，于是称之为“约瑟夫森效约瑟夫森效应应”。Digi
9、tal Electronics Technology闪存的存储单元为三端器件，与场闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记
10、忆能力。有记忆能力。 与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND型型闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。而数据）。而NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。（电流从浮置栅极到源极
11、）。Digital Electronics Technology闪存的工作原理：闪存的工作原理： 在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动栅。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在的浮动栅。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。控制栅。 数据是数据是0或或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为有电子为0，无电子为，无电子为1。 闪存就如同其名字一样，写入前删除数据进行初始化。具闪存就如同其
12、名字一样，写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1”。 写写入时只有数据为入时只有数据为0时才进行写入，数据为时才进行写入，数据为1时则什么也不做。时则什么也不做。Digital Electronics Technology 写入写入0时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。化膜绝缘体，进入浮动栅。 读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为读取数
13、据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为1，电流小则定为电流小则定为0。 浮动栅没有电子的状态（数据为浮动栅没有电子的状态（数据为1）下，在栅电极施）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为（数据为0）下，沟道中传导的电子就会减少。因为施加在）下，沟道中传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难对沟道产生影响。栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难对沟道产生影响。Digital Electron
14、ics Technology闪存无噪音。闪存无噪音。 访问速度更快。访问速度更快。 尺寸较小。尺寸较小。 更轻便。更轻便。 没有移动部件，可靠性大大提高。没有移动部件，可靠性大大提高。 为什么不多用闪存呢？原因是现阶段硬盘的单位成本为什么不多用闪存呢？原因是现阶段硬盘的单位成本要便宜得多，而且容量也大很多。要便宜得多，而且容量也大很多。 Digital Electronics Technology7.2 ROM Read-Only-Memory7.2.1 掩模掩模ROM一、结构一、结构Digital Electronics Technology地 址数 据A1A0d3d2d1d00001010
15、11011100100111110A0An-1W0W(2n-1)D0Dm二、举例Digital Electronics Technology两个概念：存储矩阵的每个交叉点是一个“存储单元”，存储单元中有器件存入“1”，无器件存入“0”存储器的容量：“字数 x 位数”Digital Electronics Technology掩模ROM的特点：取之不尽、用之不绝的矿山取之不尽、用之不绝的矿山出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产简单，便宜，非易失性Digital Electronics Technology7.2.2 可编程可编程ROM（PROM）总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同写是一次
16、性编程，不能改！编程时将不用的熔断有出厂时，每个结点上都熔丝由易熔合金制成Digital Electronics Technology7.2.2 可编程可编程ROM（PROM）总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同写入时，要使用编程器Digital Electronics Technology7.2.3 可擦除的可编程可擦除的可编程ROM（EPROM）总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同一、用紫外线擦除的PROM（UVEPROM）Digital Electronics Technology管叠栅注入MOSMOSInjuctiongateStackedSIMOS)(浮置栅控制栅:fcGG通
17、处正常逻辑高电平下导上未充负电荷，则若导通处正常逻辑高电平下不上充以负电荷，则若工作原理：cfcfGGGG 浮置栅上未注入电荷以前，在控制栅上加入正常的高电平能够使漏一源之间浮置栅上未注入电荷以前，在控制栅上加入正常的高电平能够使漏一源之间产生导电沟道，产生导电沟道，SIMOSSIMOS管导通。反之，在浮置栅上注入了负电荷以后，必须在管导通。反之，在浮置栅上注入了负电荷以后，必须在控制栅上加入更高的电压才能抵消注入电荷的影响而形成导电沟道。因此在栅控制栅上加入更高的电压才能抵消注入电荷的影响而形成导电沟道。因此在栅极加上正常的高电平信号时极加上正常的高电平信号时SIMOSSIMOS管将不会导通
18、。管将不会导通。 Digital Electronics Technology明明石石英英盖盖板板。器器件件外外壳壳上上有有透透分分钟钟。为为便便于于擦擦除除，在在紫紫外外线线照照射射空空穴穴对对，提提供供泄泄放放通通道道生生电电子子“擦擦除除”：通通过过照照射射产产形形成成注注入入电电荷荷到到达达吸吸引引高高速速电电子子穿穿过过宽宽的的正正脉脉冲冲，上上加加同同时时在在发发生生雪雪崩崩击击穿穿）间间加加高高压压（“写写入入”：雪雪崩崩注注入入3020502525202,fcGSiOmsVGVSDDigital Electronics Technology二、电可擦除的可编程二、电可擦除的可编
19、程ROM（E2PROM） 总体结构与掩模总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同一样，但存储单元不同)(管浮栅隧道氧化层采用点擦除慢，操作不便的缺为克服MOSFLOTOXUVEPROM“隧道效应”电子会穿越隧道）当场强达到一定大小（厚度之间有小的隧道区，与,/ cmVmSiODGf78210102Digital Electronics Technology导通）下，电压（未充电荷时，正常读出截止）下，电压（充电荷后，正常读出工作原理：TVGTVGGCCf33fjCiGBmsVGW电子隧道区接的正脉冲，加充电：01020 ,上上电电荷荷经经隧隧道道区区放放电电相相当当于于栅栅极极加加负负高高压压
20、）加加正正脉脉冲冲，接接放放电电：fjiCGBWG(,0Digital Electronics Technology三、快闪存储器（三、快闪存储器（Flash Memory）已当随机存储器已当随机存储器 为提高集成度，省去T2（选通管） 改用叠栅MOS管（类似SIMOS管）（隧道区）（隧道区）区有极小的重叠区区有极小的重叠区与与）更薄（更薄（与衬底间与衬底间SGnmOSGfif15102的的正正脉脉冲冲，加加接接），加加正正压压（充充电电利利用用雪雪崩崩注注入入方方式式向向工工作作原原理理：usVGVVSDGcssf101206*上上电电荷荷经经隧隧道道区区放放电电的的正正脉脉冲冲加加放放电电
21、，利利用用隧隧道道效效应应fsscfGnsVVGG100120,Digital Electronics TechnologyEPROM ：光擦除（紫外管曝光），电改写（热电子）优点：耐久性好、结构简单、集成度高、适于低成本大容量应用缺点：擦除慢、编程功耗大，不适于频繁改写。E2PROM ：电擦除（ FN 隧穿，逐管），电改写（ FN 隧穿）优点：耐久性好、编程可逆（改写时加反向电压即可擦除）缺点：阈值电压难以精确控制，需加控制管，故面积大、工艺成本高Flash ROM ：电擦除（ FN 隧穿，成块），电改写（热电子）优点：结构简单、擦除快（成块擦除）；面积和灵活性介于EPROM 和 E2PRO
22、M 之间V位线VI字线可擦除可编程 ROM 小结V DDDigital Electronics Technology7.3 随机存储器随机存储器RAM7.3.1 静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）一、结构与工作原理一、结构与工作原理Digital Electronics Technology2114的结构框图，1024 x 4 位的 RAMA9Digital Electronics Technology二、SRAM的存储单元作存储单元触发器，为基本RSTT41相通、与、导通，时，jjiBBQQTTX65,1单元与缓冲器相连列第行第导通，这时时，所在列被选中，jiTTYj871,，读操作
23、截止，与导通，则若时，当OIQAAAWRSC32110,，写操作导通，与截止，则若QOIAAAWR3210,六管六管N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管Digital Electronics Technology7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展7.4.1 位（Bit）扩展方式适用于每片RAM,ROM字数够用而位数不够时方法：将各片的地址线、读写线、片选线并联即可方法：将各片的地址线、读写线、片选线并联即可Digital Electronics Technology7.4.2 字字（Byte）扩展方式扩展方式适用于每片RAM,ROM位数够用而字数不够时SCWRAAOIOI片选信号：
24、写信号：读地址线：数据线：/70701024 x 8RAM70OIOI.9870AAAA,.WRWRAAAAOIOI写信号：读地址线：数据线：/987070,Digital Electronics Technology片个字，需要每一片提供4256SCYYAAAA分别接四片的译成即将两位代码区分四片用,308989102376876751251125625501110010007070707,AAAAAAAA四片的地址分配就是：00011101101110110111111089AA4321SCSCSCSCDigital Electronics Technology方法：方法：片内地址信号并联
25、；多余地址端通过译码器接片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；至各片的片选端；I/OI/O同名端并联。同名端并联。Digital Electronics Technology7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展一、位（一、位（Bit）扩展方式）扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=8例：例：用用1024字字1位位RAM构成构成1024字字8位位RAM. 方法：方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和读写信号）。输出并列。读写信号）。输出并列。Digital Electronic
26、s Technology7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展二、字（二、字（Byte）扩展方式）扩展方式N=目标存储器容量目标存储器容量已有存储器容量已有存储器容量需要片数需要片数N=4例：例：用用256字字8位位RAM组成组成1024字字8位存储器。位存储器。Digital Electronics Technology7.4 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 方法：方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；片的片选端；I/O同名端并联。同名端并联。Digital Electronics Technology7.5 用存储器实
27、现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数一、基本原理从ROM的数据表可见：若以地址线为输入变量，则数据线即为一组关于地址变量的逻辑函数地 址数 据A1A0d3d2d1d0000101011011100100111110A0An-1W0W(2n-1)Digital Electronics Technology二、举例二、举例ABCDDCBAYDCBADABCYBCDADBCDCBAYCBABCAYROM4321产生：用),(),(),(),(15214414107676324321mYmYmYmYDigital Electronics Technology ROM的每个输出都是由地址输入的最小项之
28、和的形式的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。例：例：用用ROM实现七段显示器的译码器。实现七段显示器的译码器。七段显示七段显示LED数码管数码管(a) 外形图外形图 (b) 共阴型共阴型 (c) 共阳型共阳型公共阴极公共阴极公共阳极公共阳极高电平驱动高电平驱动低电平驱动低电平驱动二、举例二、举例Digital Electronics Technology4.3 1 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1
29、 11 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 11 0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 10 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0a b c d e f g输输 出出1111111111111111 BI/RBO输入输入/输出输出0123456789101112131415功能功能（输入）（输入）1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 LT RBI显示显示字形字形输输 入入0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10
30、1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1A3 A2 A1 A0七段显示译码器七段显示译码器74487448的功能表的功能表Digital Electronics Technology输入变量输入变量Digital Electronics Technology 片一片存储量总存储量441024161024N例例: : 试将试将4 4片片2114A2114A扩展成扩展成1616位的存储器。位的存储器。解：即将解：即将102410244 4扩展为扩展为102410241616，
31、需要，需要102410244RAM4RAM的片数为的片数为 WRCS 只要把只要把4 4片片RAMRAM的地址线并联在一起的地址线并联在一起, , 线并线并联在一起联在一起, ,片选线片选线 也也 并联在一起并联在一起, , 每片每片RAMRAM的的I/OI/O端并行输出到端并行输出到102410241616存储器的存储器的I/OI/O端作为数据线端作为数据线I/OI/O0 0I/OI/O3 3，即实现了位扩，即实现了位扩展，其扩展连接图如图所示。展，其扩展连接图如图所示。A0 A1 A9 R/W RAM CS I/OA0 A1 A9 R/W RAM CS I/OA0 A1 A9 R/W RA
32、M CS I/OA0 A1 A9 R/W RAM CS I/OA9A1A0 R/W CSI/O0I/O1 I/O3I/O2Digital Electronics TechnologyABCDCBAYCDCBYADBAY3217.1 ROM7.1 ROM有多少种？各自的特点都是什么？有多少种？各自的特点都是什么？7.2 RAM7.2 RAM分为哪两种？各有何特点？分为哪两种？各有何特点？7.3 ROM7.3 ROM和和PROMPROM、EPROMEPROM及及E E2 2PROMPROM有什么相同和不同之处。有什么相同和不同之处。7.4 7.4 现有容量为现有容量为102410248RAM8RA
33、M一片，试回答：一片，试回答：（1 1）该片）该片RAMRAM共有多少个存储单元？共有多少个存储单元？（2 2）RAMRAM共有多少个字？字长多少位？共有多少个字？字长多少位？（3 3）该片）该片RAMRAM共有多少条地址线？共有多少条地址线？（4 4）访问该片）访问该片RAMRAM时，每次会选中多少个存储单元？时，每次会选中多少个存储单元？7.5 RAM21147.5 RAM2114（102410244 4位）的存储矩阵为位）的存储矩阵为64646464， 它的地址线、行选择线、列选择线、输入它的地址线、行选择线、列选择线、输入/ /输出输出 数据线各是多少？数据线各是多少？7.6 7.6 用用ROMROM实现下列逻辑函数实现下列逻辑函数Digital Electronics Technology7.6 )15, 5 , 4()10,14, 6 , 9 , 8 , 2 , 1 , 0()15,13,11, 9 , 3 , 2 , 1 , 0(221mYmYmYABCDCBAYCDCBYADBAY321Digital Electronics Technology作业：作业：P. 383-3857.1，7.2，7.4，7.7, 7.8, 7.11, 7.14
