1、第七章第七章 半导体存储器半导体存储器 半导体存储器是一种能存储大量二值信息半导体存储器是一种能存储大量二值信息(或或称为二值的数据称为二值的数据)的半导体器件。的半导体器件。在电子计算机以及其他一些数字系统的工作在电子计算机以及其他一些数字系统的工作过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，存储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部存储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。分。7.1 概述概述 由于计算机处理的数据量越来越大，运算速由于计算机处理的数据量越来越大，运算速度越来越快，这就要求存储器具有更大的存储容度越来越快，这就要求存储器具有更大的
2、存储容量和更快的存取速度。通常都把存储量和存取速量和更快的存取速度。通常都把存储量和存取速度作为衡量存储器性能的重要指标。目前动态存度作为衡量存储器性能的重要指标。目前动态存储器的容量已达储器的容量已达109位片。一些高速随机存储位片。一些高速随机存储器的存取时间仅器的存取时间仅 10ns 左右。左右。因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大而器件的引脚数目有限，所以在电路结构上就不而器件的引脚数目有限，所以在电路结构上就不可能像寄存器那样把每个存储单元的输入和输出可能像寄存器那样把每个存储单元的输入和输出直接引出。直接引出。为了解决这个矛盾，在存储器中给每
3、个存储为了解决这个矛盾，在存储器中给每个存储单元编了一个地址，只有被输入地址代码指定的单元编了一个地址，只有被输入地址代码指定的那些存储单元才能与公共的那些存储单元才能与公共的输入输出输入输出引脚接通，引脚接通，进行数据的读出或写入。进行数据的读出或写入。SIM卡卡数码相机用的数码相机用的MS记忆棒记忆棒使用使用FLASH Memory 的电子盘（的电子盘（U盘）盘）MP3播放器播放器PC机主板机主板内存插槽内存插槽内存条内存条 半导体存储器的种类很多，首先从半导体存储器的种类很多，首先从存、取功能上可以分为只读存储器存、取功能上可以分为只读存储器(Read-Only Memory，简称，简称
4、 ROM)和随和随机存储器机存储器(Random Access Memory，简，简称称 RAM)两大类。两大类。7.2 只读存储器只读存储器 ROM 只读存储器在正常工作状态下只能从中读取数只读存储器在正常工作状态下只能从中读取数据，不能快速地随时修改或重新写入数据。据，不能快速地随时修改或重新写入数据。ROM的优点是电路结构简单，而且在断电以后的优点是电路结构简单，而且在断电以后数据不会丢失。它的缺点是只适用于存储那些固定数据不会丢失。它的缺点是只适用于存储那些固定数据的场合。数据的场合。只读存储器中又有掩模只读存储器中又有掩模ROM、可编程、可编程ROM(Programmable Rea
5、d-Only Memory，简称，简称PROM)和可擦除的可编程和可擦除的可编程 ROM(Erasable Programmable ReadOnly Memory，简称，简称EPROM）几种不同类）几种不同类型。型。图图7.2.1 ROM的电路结构框图的电路结构框图7.2.1 掩膜只读存储器掩膜只读存储器00图图7.2.2 二极管二极管ROM的的电路结构图电路结构图01 10 11011001100存储矩阵存储矩阵011010000110010二极管反偏不通二极管反偏不通接二极管的位置存储接二极管的位置存储 1,不接存储不接存储 0存储矩阵存储矩阵11010100接二极管的位置存储接二极管的
6、位置存储 1,不接存储不接存储 0存储矩阵存储矩阵00100010接二极管的位置存储接二极管的位置存储 1,不接存储不接存储 0存储矩阵存储矩阵10110001接二极管的位置存储接二极管的位置存储 1,不接存储不接存储 0译码矩阵译码矩阵001110001000译码矩阵译码矩阵011011000001100图图7.2.2 二极管二极管ROM的电的电路结构图路结构图01 10 11011000110 0010110044位存储器位存储器 数据表数据表图图7.2.3 用用MOS管构成的存储矩阵管构成的存储矩阵1007.2.2 可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM）在开发数字电路新产品的工作
7、过程中，设计在开发数字电路新产品的工作过程中，设计人员经常需要按照自己的设想迅速得到存有所需人员经常需要按照自己的设想迅速得到存有所需内容的内容的ROM。这时可以通过将所需内容自行写入。这时可以通过将所需内容自行写入PROM而得到要求的而得到要求的ROM。PROM的总体结构与掩模的总体结构与掩模ROM一样，同样由一样，同样由存储矩阵、地址译码器和输出电路组成。不过在存储矩阵、地址译码器和输出电路组成。不过在出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储元件，即相当于在所有存储单元中都存人了存储元件，即相当于在所有存储单元中都存人了了1。图7.2.4
8、熔丝型PROM的存储单元返回返回图7.2.5 PROM管的结构原理图7.2.3 可擦除的可编程只读存储器可擦除的可编程只读存储器一、一、EPROM (UVEPROM)由于可擦除的可编程由于可擦除的可编程ROM(EPROM)中存储的中存储的数据可以擦除重写，因而在需要经常修改数据可以擦除重写，因而在需要经常修改ROM中中内容的场合它便成为一种比较理想的器件。内容的场合它便成为一种比较理想的器件。最早研究成功并投入使用的最早研究成功并投入使用的EPROM是用紫外是用紫外线照射进行擦除的；并被称之为线照射进行擦除的；并被称之为EPROM。因此，。因此，现在一提到现在一提到EPROM就是指的这种用紫外
9、线擦除的就是指的这种用紫外线擦除的可编程可编程ROM(Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory，简称；，简称；UVEPROM)。不久又出现了用电信号可擦除的可编程不久又出现了用电信号可擦除的可编程ROM(Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory，简称，简称E2PROM)。后来又研制成功的快闪。后来又研制成功的快闪存储器存储器(Flash Memory)也是一种用电信号擦除的可也是一种用电信号擦除的可编程编程 ROM。一、一、EPROM(UVPROM)EPROM与前面已经讲过
10、的与前面已经讲过的PROM在总体结在总体结构形式上没有多大区别，只是采用了不同的存储构形式上没有多大区别，只是采用了不同的存储单元。单元。早期早期EPROM的存储单元中使用了浮栅雪崩的存储单元中使用了浮栅雪崩注入注入MOS管管(Floating-gate Avalanche-Injuction Metal-Oxide-Semiconductor，简称，简称FAMOS管管)，它的结构示意图和符号如图它的结构示意图和符号如图 7.2.6所示。所示。图7.2.6 FAMOS管的结构和符号 FAMOS管本身是一个管本身是一个P沟道增强型的沟道增强型的MOS管，但栅极管，但栅极“浮置浮置”于于SiO2层
11、内，与其他部分均层内，与其他部分均不相连，处于完全绝缘的状态。如果在它的漏极不相连，处于完全绝缘的状态。如果在它的漏极和源极之间加上比正常工作电压高得多的负电压和源极之间加上比正常工作电压高得多的负电压(通常为通常为45V左右左右)，则可使漏极与衬底之间的，则可使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿，耗尽区里的电子在强电场结产生雪崩击穿，耗尽区里的电子在强电场作用下以很高的速度从漏极的作用下以很高的速度从漏极的P+区向外射出，其区向外射出，其中速度最快的一部分电子穿过中速度最快的一部分电子穿过SiO2层而到达浮置层而到达浮置栅，被浮置栅俘获而形成栅极存储电荷。这个过栅，被浮置栅俘获而形成栅极存储
12、电荷。这个过程就叫做雪崩注入。程就叫做雪崩注入。漏极和源极间的高电压去掉以后，由于注入漏极和源极间的高电压去掉以后，由于注入到栅极上半导体存储器的电荷没有放电通路，所到栅极上半导体存储器的电荷没有放电通路，所以能长久保存下来。在以能长久保存下来。在+125的环境温度下，的环境温度下，70以上的电荷能保存以上的电荷能保存10年以上。在栅极获得足够年以上。在栅极获得足够的电荷以后，漏的电荷以后，漏源间便形成导电沟道，使源间便形成导电沟道，使FAMOS管导通。管导通。如果用紫外线或如果用紫外线或X射线照射射线照射FAMOS管的栅极管的栅极氧化层，则氧化层，则SiO2层中将产生电子层中将产生电子空穴对
13、，为浮空穴对，为浮置栅上的电荷提供泄放通道，使之放电。待栅极置栅上的电荷提供泄放通道，使之放电。待栅极上的电荷消失以后，导电沟道也随之消失，上的电荷消失以后，导电沟道也随之消失，FAMOS管恢复为截止状态。这个过程称为擦除。管恢复为截止状态。这个过程称为擦除。擦除时间约需擦除时间约需2030分钟。为便于擦除操作，在分钟。为便于擦除操作，在器件外壳上装有透明的石英盖板。在写好数据以器件外壳上装有透明的石英盖板。在写好数据以后应使用不透明的胶带将石英盖板遮蔽，以防止后应使用不透明的胶带将石英盖板遮蔽，以防止数据丢失。数据丢失。图7.2.7 使用FAMOS管的存储单元图7.2.8 SIMOS管的结构
14、和符号返回返回图7.2.9 使用SIMOS管的256 1位EPROM返回返回图7.2.10 Flotox管的结构和符号返回返回图7.2.11 E2 PROM的存储单元返回返回图7.2.12 E2 PROM存储单元的三种工作状态（a）读出状态 （b）擦除（写1）状态 （c）写入（写0）状态返回返回图7.2.13 快闪存储器中的叠栅MOS管返回返回图7.2.14 快闪存储器的存储单元返回返回7.3 随机存储器（RAM）图7.3.1 SRAM的结构框图图7.3.2 1024x4位RAM（2114）的结构框图图7.3.3 六管NMOS静态存储单元图7.3.4 六管CMOS静态存储单元图7.3.5 双极
15、型RAM 的静态存储单元图7.3.6 四管动态MOS存储单元图7.3.7 三管动态MOS存储单元图7.3.8 单管动态MOS存储单元图7.3.9 DRAM中的灵敏恢复/读出放大器图7.3.10 灵敏恢复/读出放大器的读出过程（a）读出0的情况（b）读出1的情况图7.3.11 DRAM的总体结构框图返回返回图7.3.1 SRAM的结构框图返回返回图7.3.2 1024 4位RAM（2114）的结构框图返回返回图7.3.3 六管NMOS静态存储单元返回返回图7.3.4 六管CMOS静态存储单元返回返回图7.3.5 双极型RAM 的静态存储单元返回返回图7.3.6 四管动态MOS存储单元返回返回图7
16、.3.7 三管动态MOS存储单元返回返回图7.3.8 单管动态MOS存储单元返回返回图7.3.9 DRAM中的灵敏恢复/读出放大器返回返回图7.3.10 灵敏恢复/读出放大器的读出过程 （a）读出0的情况 （b）读出1的情况返回返回图7.3.11 DRAM的总体结构框图返回返回7.4 存储器容量的扩展 图7.4.1 RAM的位扩展接法 图7.4.2 RAM的字扩展接法返回返回图7.4.1 RAM的位扩展接法返回返回图7.4.2 RAM的字扩展接法返回返回7.5 用存储器实现组合逻辑函数 图7.5.1 例7.5.1的电路 图7.5.2 例7.5.2的ROM点阵图返回返回图7.5.1 例7.5.1
17、的电路返回返回图7.5.2 例7.5.2的ROM点阵图返回返回7.6 串行存储器图7.6.1 用静态移位寄存器组成的串行存储器图7.6.2 后进先出型串行存储器的结构框图图7.6.3 串、并联结构的先进先出型串行存储器图7.6.4 有比型动态MOS反相器图7.6.5 两相有比型动态MOS移位寄存单元（a）电路结构（b）工作波形图7.6.6 无比型动态MOS反相器图7.6.7 两相无比型动态MOS移位寄存单元（a）电路结构（b）工作波形图7.6.8 改进的两相无比型动态MOS移位寄存单元（a）电路结构（b）工作波形图7.6.9 动态CMOS移位寄存单元（a）电路结构（b）工作波形返回返回图7.6.1 用静态移位寄存器组成的串行存储器返回返回图7.6.2 后进先出型串行存储器的结构框图返回返回图7.6.3 串、并联结构的先进先出型串行存储器返回返回图7.6.4 有比型动态MOS反相器返回返回图7.6.5 两相有比型动态MOS移位寄存单元（a）电路结构（b）工作波形返回返回图7.6.6 无比型动态MOS反相器返回返回图7.6.7 两相无比型动态MOS移位寄存单元（a）电路结构（b）工作波形返回返回图7.6.8 改进的两相无比型动态MOS移位寄存单元（a）电路结构（b）工作波形返回返回图7.6.9 动态CMOS移位寄存单元 （a）电路结构 （b）工作波形返回返回
