微電子學(xué)概論-Cha

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1、大規(guī)模集成電路基礎(chǔ) 3. 1半 導(dǎo) 體 集 成 電 路 概 述集 成 電 路 （ Integrated Circuit， IC）芯 片 （ Chip, Die） 硅 片 （ Wafer）集 成 電 路 的 成 品 率 ：Y= 硅 片 上 好 的 芯 片 數(shù)硅 片 上 總 的 芯 片 數(shù) 100%成 品 率 的 檢 測 ， 決 定 工 藝 的 穩(wěn) 定 性 ，成 品 率 對 集 成 電 路 廠 家 很 重 要 集 成 電 路 發(fā) 展 的 原 動 力 ： 不 斷 提 高 的 性 能 /價 格 比集 成 電 路 發(fā) 展 的 特 點 ： 性 能 提 高 、 價 格 降 低集 成 電 路 的 性 能 指

2、標(biāo) ： 集 成 度 速 度 、 功 耗 特 征 尺 寸 可 靠 性主 要 途 徑 ： 縮 小 器 件 的 特 征 尺 寸 、 增 大 硅 片 面 積功耗 延遲積 集 成 電 路 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) ： 光 刻 技 術(shù) (DUV)縮 小 尺 寸 ： 0.250.18mm增 大 硅 片 ： 8英 寸 12英 寸亞 0.1mm： 一 系 列 的 挑 戰(zhàn) ，亞 50nm： 關(guān) 鍵 問 題 尚 未 解 決新 的 光 刻 技 術(shù) ： EUV SCAPEL(Bell Lab.的 E-Beam) X-ray 集 成 電 路 的 制 造 過 程 ： 設(shè) 計 工 藝 加 工 測 試 封 裝定 義 電 路 的 輸

3、入 輸 出 （ 電 路 指 標(biāo) 、 性 能 ）原 理 電 路 設(shè) 計電 路 模 擬 (SPICE)布 局 (Layout)考 慮 寄 生 因 素 后 的 再 模 擬原 型 電 路 制 備測 試 、 評 測 產(chǎn) 品工 藝 問 題 定 義 問 題不 符 合 不 符 合 集 成 電 路 產(chǎn) 業(yè) 的 發(fā) 展 趨 勢 ：獨 立 的 設(shè) 計 公 司 （ Design House）獨 立 的 制 造 廠 家 （ 標(biāo) 準(zhǔn) 的 Foundary）集 成 電 路 類 型 ： 數(shù) 字 集 成 電 路 、 模 擬 集 成 電 路數(shù) 字 集 成 電 路 基 本 單 元 ： 開 關(guān) 管 、 反 相 器 、 組 合 邏 輯

4、 門模 擬 集 成 電 路 基 本 單 元 ： 放 大 器 、 電 流 源 、 電 流 鏡 、 轉(zhuǎn) 換 器 等 3.2.1 MOS開 關(guān) 及 其 等 效 電 路： MOS管 工 作 在 可 變 電 阻 區(qū) ， 輸 出 低 電 平: MOS管 截 止 ， 輸 出 高 電 平當(dāng) I VT MOS管 相 當(dāng) 于 一 個 由 vGS控 制 的無 觸 點 開 關(guān) 。MOS管 工 作 在 可 變 電 阻 區(qū) ，相 當(dāng) 于 開 關(guān) “ 閉 合 ” ，輸 出 為 低 電 平 。MOS管 截 止 ，相 當(dāng) 于 開 關(guān) “ 斷 開 ”輸 出 為 低 電 平 。當(dāng) 輸 入 為 低 電 平 時 ：當(dāng) 輸 入 為 高

5、電 平 時 ： 3.2.2 CMOS 反 相 器1.工 作 原 理 A L1+VDD+10VD 1S1vi vOTNTPD2S20V+10V vi vGSN vGSP TN TP vO0 V 0V -10V 截 止 導(dǎo) 通 10 V10 V 10V 0V 導(dǎo) 通 截 止 0 VVTN = 2 V VTP = - 2 V邏 輯 圖 AL邏 輯 表 達 式vi (A) 0vO(L)1邏 輯 真 值 表10 )VVV TPTNDD ( P溝 道 MOS管 輸 出 特 性 曲 線 坐 標(biāo) 變 換輸 入 高 電 平 時 的 工 作 情 況 輸 入 低 電 平 時 的 工 作 情 況作 圖 分 析 ： 2

6、. 電 壓 傳 輸 特 性 和 電 流 傳 輸 特 性)v(fv IO 電 壓 傳 輸 特 性 3.CMOS反 相 器 的 工 作 速 度在 由 于 電 路 具 有 互 補 對 稱 的 性 質(zhì) ， 它 的 開 通 時 間 與 關(guān)閉 時 間 是 相 等 的 。 平 均 延 遲 時 間 ： 10 ns。 帶 電 容 負 載 A B TN1 TP1 TN2 TP2 L0 00 11 01 1 截 止 導(dǎo) 通 截 止導(dǎo) 通 導(dǎo) 通導(dǎo) 通 導(dǎo) 通截 止 截 止導(dǎo) 通截 止 截 止截 止 截 止導(dǎo) 通 導(dǎo) 通 1110與 非 門1.CMOS 與 非 門vA +VDD +10VTP1TN1TP2 TN2AB

7、 LvB vL AB &(a)電 路 結(jié) 構(gòu) (b)工 作 原 理VTN = 2 V VTP = - 2 V0V10VN輸 入 的 與 非 門 的 電 路 ?輸 入 端 增 加 有 什 么 問 題 ?3.2.3 CMOS 邏 輯 門 或 非 門 BAL 2.CMOS 或 非 門+VDD +10VTP1TN1 TN2TP2AB L A B TN1 TP1 TN2 TP2 L0 00 11 01 1 截 止 導(dǎo) 通 截 止導(dǎo) 通 導(dǎo) 通導(dǎo) 通 導(dǎo) 通截 止 截 止導(dǎo) 通截 止 截 止截 止 截 止導(dǎo) 通 導(dǎo) 通 1000AB 10V10V VTN = 2 V VTP = - 2 VN輸 入 的 或

8、 非 門 的 電 路 的 結(jié) 構(gòu) ?輸 入 端 增 加 有 什 么 問 題 ? 3. 異 或 門 電 路BA BABA XBAL BABA BA=A B 3.2.4 CMOS傳 輸 門 (雙 向 模 擬 開 關(guān) ) 1. CMOS傳 輸 門 電 路 TP vI /vO T N vO /vI C C +5V -5V 電 路 v I /v O v O /v I C C T G 邏 輯 符 號 I / O o/ IC等 效 電 路 2、 CMOS傳 輸 門 電 路 的 工 作 原 理 設(shè) TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2VI的 變 化 范 圍 為 5V到 +5V。 -5V+5V-5V到 +

9、5V GSN0, TP截 止TP vI /vO TN vO /vI C C +5V -5V 1） 當(dāng) c=0， c =1時c=0=-5V， c =1=+5V C TP vO/vI vI/vO +5V 5V T N C +5V -5V GSP= -5V - ( 3V+5V)=-2V -10VGSN=5V - ( 5V+3V)=(102)V b、 I=-3V5VGSNVTN, TN導(dǎo) 通a、 I=-5V3VT N導(dǎo) 通 ， TP導(dǎo) 通GSP |VT|, TP導(dǎo) 通C、 I=-3V3VIO vv 2） 當(dāng) c=1， c =0時 傳 輸 門 組 成 的 數(shù) 據(jù) 選 擇 器C=0TG1導(dǎo) 通 , TG2

10、斷 開 L=XTG2導(dǎo) 通 , TG1斷 開 L=YC=1傳 輸 門 的 應(yīng) 用 3.3 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 基 礎(chǔ)3.3.1 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 的 結(jié) 構(gòu) 框 圖 存 儲 1或 0的 電 路 稱 為 存 儲 單 元 ， 存 儲 單 元 的 集 合 形成 存 儲 陣 列 （ 通 常 按 行 列 排 成 矩 陣 ） 。 字 :存 儲 陣 列 中 二 進 制 數(shù) 據(jù) 的 信 息 單 位 （ 與 計 算 機 不 同 ！ ） 。 最 小 的 信 息 單 位 是 1位 （ Bit） ， 8位 二 進 制 信 息 稱 為 1個 字 節(jié)(Byte)， 4位 二 進 制 信 息 則 稱 為 1個 半

11、 字 節(jié) (Nibble)。存 儲 器 由 尋 址 電 路 、 存 儲 陣 列 和 讀 寫 電 路 組 成 。 存 儲 單 元 的 總 數(shù) 定 義 為 存 儲 器 的 容 量 ， 它 等 于 存 儲器 的 字 數(shù) 和 每 字 位 數(shù) 之 積 。 例 如 ， 10位 地 址 碼 ， 每 字 8位 ， 則 存 儲 容 量 為 210 Bytes =1024Bytes=1kB=8kbits。 1MB=220B GB=230B 讀 操 作 （ 亦 稱 為 取 數(shù) 操 作 ） ： 輸 入 地 址 碼 An-1A1A0， 尋 址電 路 將 地 址 碼 轉(zhuǎn) 換 成 字 線 上 的 有 效 電 平 選 中 字

12、 存 儲 單 元 。 在 片選 信 號 CS有 效 （ 通 常 是 低 電 平 ） 和 讀 寫 信 號 為 高 電 平 時 ， 讀 寫電 路 通 過 存 儲 陣 列 的 位 線 ， 將 選 中 的 字 存 儲 單 元 的 m位 數(shù) 據(jù) 輸 出到 數(shù) 據(jù) 總 線 上 -1 1 0（ 設(shè) 存 儲 陣 列 按 每 字 m位 組 織 ） 。 寫 操 作 （ 亦 稱 為 存 數(shù) 操 作 ） ： 輸 入 地 址 碼 An-1A1A0， 尋 址電 路 將 地 址 轉(zhuǎn) 換 成 字 線 上 的 有 效 電 平 選 中 字 存 儲 單 元 。 在 片 選信 號 CS有 效 （ 通 常 是 低 電 平 ） 和 讀

13、寫 信 號 為 低 電 平 時 ， 讀 寫 電路 通 過 存 儲 陣 列 的 位 線 將 數(shù) 據(jù) 總 線 上 的 m位 數(shù) 據(jù) -1 1 0寫入 選 中 的 字 存 儲 單 元 中 保 存 （ 設(shè) 存 儲 陣 列 按 每 字 m位 組 織 ） 。存 儲 器 具 有 2種 基 本 的 操 作 ： 寫 操 作 和 讀 操 作 。 在 復(fù) 雜 的 數(shù) 字 系 統(tǒng) （ 例 如 數(shù) 字 計 算 機 ） 中 ， 多 個 功 能 電 路 間利 用 一 組 公 共 的 信 號 線 （ 導(dǎo) 線 或 其 他 傳 導(dǎo) 介 質(zhì) ） 實 現(xiàn) 互 連 ， 并 分時 傳 輸 信 息 ， 這 樣 的 一 組 信 號 線 稱

14、為 總 線 。 在 存 儲 器 中 ， 數(shù) 據(jù) 總 線 -1 1 0是 雙 向 總 線 （ 輸 入 /輸 出 ， 常 用 表 示I/Om-1， ， I/O1， I/O0） ； 地 址 總 線 An-1A1A0和 控 制 總 線 （ CS， ） 則 是 單 向 總 線（ 輸 入 ） 。 在 存 儲 器 內(nèi) 部 ， 屬 于 同 一 位 的 存 儲 單 元 共 用 位 線 ， 陣 列 中 的存 儲 單 元 通 過 位 線 與 讀 寫 電 路 交 換 數(shù) 據(jù) 。 WR/ 3.3.2 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 的 分 類 隨 機 讀 寫 存 儲 器 的 寫 操 作 時 間 和 讀 操 作 時 間 相 當(dāng)

15、（ 都 是 納 秒級 ） ， 工 作 時 能 夠 隨 時 快 速 地 讀 出 或 寫 入 數(shù) 據(jù) 。 即 工 作 時 讀 寫 存儲 器 具 有 存 入 和 取 出 數(shù) 據(jù) 2種 功 能 。 工 作 時 只 能 快 速 地 讀 取 已 存 儲 的 數(shù) 據(jù) 、 而 不 能 快 速 地 隨 時 寫入 新 數(shù) 據(jù) 的 存 儲 器 稱 為 只 讀 存 儲 器 （ ROMRead Only Memory） 。 閃 存 （ Flash Memory） 工 作 時 可 以 進 行 讀 或 寫 操 作 ， 但 閃 存的 每 個 存 儲 單 元 寫 操 作 時 間 長 ， 不 能 隨 機 寫 入 數(shù) 據(jù) ， 適

16、合 對 眾 多 存 儲 單 元 批 量 地 寫 入 數(shù) 據(jù) 。 按 功 能 分 為 只 讀 存 儲 器 、 隨 機 讀 寫 存 儲 器 （ 或 稱 為 存 取 存儲 器 ） 和 閃 存 。 只 讀 存 儲 器 的 寫 操 作 時 間 (毫 秒 級 )遠 比 讀 操 作 時 間 （ 納 秒 級） 長 ， 數(shù) 據(jù) 必 須 在 工 作 前 寫 入 存 儲 器 ， 上 電 工 作 后 只 能 從 存 儲 器中 讀 出 數(shù) 據(jù) ， 才 不 影 響 數(shù) 字 系 統(tǒng) 的 工 作 速 度 。 按 尋 址 方 式 ， 存 儲 器 分 為 順 序 尋 址 存 儲 器 和 隨 機 尋 址 存 儲 器 。 其 存 儲

17、 陣 列 的 存 儲 單 元 連 接 成 移 位 寄 存 器 。 有 先 進 先 出 （FIFOFirst In First Out） 和 先 進 后 出 （ FILO- First In Last Out） 2種 順 序 尋 址 存 儲 器 。 隨 機 尋 址 存 儲 器 :可 以 隨 時 從 任 何 一 個 指 定 地 址 寫 入 或 讀 出 數(shù)據(jù) 的 存 儲 器 。 隨 機 尋 址 存 儲 器 的 尋 址 電 路 通 常 采 用 1個 或 2個 譯 碼 器 。 采 用 隨 機 尋 址 方 式 的 隨 機 讀 寫 存 儲 器 稱 為 隨 機 存 取 存 儲 器 （RAMRandom Acc

18、ess Memory） 。 只 讀 存 儲 器 （ ROM） 和 閃 存 也 采 用 隨 機 尋 址 方 式 。 如 果 掉 電 （ 停 電 ） 后 數(shù) 據(jù) 丟 失 ， 則 是 易 失 型 存 儲 器 ； 否 則 ， 是 非 易 失 型 存 儲 器 。 RAM是 易 失 型 存 儲 器 ， 而 ROM和 閃 存 是 非 易 失 型 存 儲 器 。順 序 尋 址 存 儲 器 是 按 地 址 順 序 存 入 或 讀 出 數(shù) 據(jù) 。存 儲 器 還 可 分 為 易 失 型 存 儲 器 和 非 易 失 型 存 儲 器 。 存 儲 器 的 尋 址 方 式 和 功 能存 儲 器 功 能 尋 址 方 式 掉

19、電 后 說 明隨 機 存 取 存 儲 器 （ RAM） 讀 、 寫 隨 機 尋 址 數(shù) 據(jù) 丟 失只 讀 存 儲 器 （ ROM） 讀 隨 機 尋 址 數(shù) 據(jù)不 丟 失 工 作 前寫 入 數(shù) 據(jù)閃 存 （ Flash Memory） 讀 、 寫 隨 機 尋 址 數(shù) 據(jù)不 丟 失先 進 先 出 存 儲 器 （ FIFO） 讀 、 寫 順 序 尋 址 數(shù) 據(jù)丟 失先 進 后 出 存 儲 器 （ FILO） 讀 、 寫 順 序 尋 址 數(shù) 據(jù)丟 失 3.3.3 隨 機 存 取 存 儲 器 （ RAM） 存 儲 單 元 是 存 儲 器 的 核 心 。 根 據(jù) 存 儲 單 元 記 憶 0或 1的 原 理

20、， 隨 機 存 取 存 儲 器 分 為 靜 態(tài) 隨 機 存 儲 器 （ SRAM Static RAM）和 動 態(tài) 隨 機 存 取 存 儲 器 (DRAM Dynamic RAM)。 按 所 用 元 件 的 不 同 ， 分 雙 極 型 和 MOS型 兩 種 。 鑒 于 MOS電 路 具 有 功 耗 低 、 集 成 度 高 的 優(yōu) 點 ， 目 前 大 容 量 的存 儲 器 都 是 MOS型 存 儲 器 。1. SRAM的 靜 態(tài) 存 儲 單 元 SRAM的 存 儲 單 元 是 用 基 本 RS觸 發(fā) 器 記 憶 0或 1的 靜 態(tài) 存 儲 單 元 。 T1 T4構(gòu) 成 CMOS基 本 RS觸 發(fā)

21、器 ， 存 儲 0或 1。1. SRAM的 靜 態(tài) 存 儲 單 元T5和 T6是 行 字 線 Xi選 通 基 本 RS觸 發(fā) 器 的 NMOS開 關(guān) 管 ， 實 現(xiàn)基 本 RS觸 發(fā) 器 的 三 態(tài) 輸 入 /輸 出， 即 開 關(guān) 管 導(dǎo) 通 時 傳 遞 0或 1，截 止 時 為 高 阻 態(tài) 。T7和 T8則 是 列 字 線 Yj選 通 基 本RS觸 發(fā) 器 的 NMOS開 關(guān) 管 ， 控制 位 線 與 讀 寫 電 路 的 連 接 。T 7、 T8和 讀 寫 電 路 也 是 一 列 共用 的 部 分 三 態(tài)門 當(dāng) Xi=Yj=1時 ， T5 T8導(dǎo) 通 ， 將 基本 RS觸 發(fā) 器 與 讀 /

22、寫 電 路 相 連 。 如 果 CS=0、 ， 則 三 態(tài) 門緩 沖 器 G1和 G2為 高 阻 態(tài) ， 而 G3為工 作 態(tài) 。 基 本 RS觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 輸出 到 數(shù) 據(jù) 總 線 上 ， 即 Dk=Q， 實 現(xiàn)讀 操 作 。 如 果 CS=0、 ， 則 三 態(tài) 門緩 沖 器 G1和 G2為 工 作 態(tài) ， 而 G3為高 阻 態(tài) 。 輸 入 電 路 強 制 基 本 RS觸發(fā) 器 的 狀 態(tài) 與 輸 入 數(shù) 據(jù) D k一 致 ，即 Q=Dk， 實 現(xiàn) 寫 操 作 。 當(dāng) CS=1時 ， 三 態(tài) 門 緩 沖 器 G1、G2和 G3為 高 阻 態(tài) ， 數(shù) 據(jù) 總 線 Dk為高 阻 態(tài) 。

23、 基 本 RS觸 發(fā) 器 既 不 能 輸出 ， 也 不 能 接 受 數(shù) 據(jù) 。 1/ WR 0/ WR 01 0 高 阻 1 工 作 態(tài)0 工 作 10 0 高 阻三 態(tài)門 當(dāng) Yj=0時 ， T7和 T8截 止 ， 基 本 RS觸 發(fā) 器 同 樣 不 能 與 讀 /寫 電 路 相連 ， 其 狀 態(tài) 保 持 不 變 ， 存 儲 單元 同 樣 未 被 選 中 。顯 然 ， 當(dāng) 掉 電 時 基 本 RS觸 發(fā) 器 的數(shù) 據(jù) 丟 失 ， 所 以 ， SRAM是 揮 發(fā) 型存 儲 器 。當(dāng) Xi=0時 ， T5和 T6截 止 ， 基 本 RS觸 發(fā) 器 不 能 與 讀 /寫 電 路 相 連 ，其 狀

24、態(tài) 保 持 不 變 ， 存 儲 單 元 未被 選 中 。 本 單 元 不 影 響 同 列 的其 他 存 儲 單 元 與 位 線 交 換 數(shù) 據(jù)。 2.基 本 SRAM的 結(jié) 構(gòu) 32行 16列 的 存 儲 陣 列 ， 組 成 256字 2位 的 存 儲 結(jié) 構(gòu) 。雙 地 址 譯 碼高 電 平 有 效存 儲 單 元 T1 T6位 線 開 關(guān)管 T7、 T8 512 OE是 輸 出 使 能 ， 低 電 平 有 效 ；片 選 信 號 為 ： 低 電 平 有 效 ；存 儲 容 量 ： 8kB=8k 8bit =8 1024 8bit =65536bit靜 態(tài) 隨 機 存 取 存 儲 器 MCM6264

25、21 EECS MCM6264的 功 能 表 WR/E1 E2 OE A12 A0 D7 D0 方 式1 Z 未 選 中 0 Z 未 選 中0 1 1 1 A 12 A0 Z 輸 出 禁 止0 1 0 1 A12 A0 O 讀0 1 0 A12 A0 I 寫 Z-高 阻 態(tài)O-數(shù) 據(jù) 輸 出I-數(shù) 據(jù) 輸 入 3. SRAM的 操 作 定 時 為 了 保 證 存 儲 器 準(zhǔn) 確 無 誤 地 工 作 ， 作 用 到 存 儲 器 的 地 址 、 數(shù)據(jù) 和 控 制 信 號 必 須 遵 守 一 定 的 時 間 順 序 ， 即 操 作 定 時 。(1) 讀 周 期 讀 操 作 要 求 指 定 字 存 儲

26、 單 元 的 地 址 、 片 選 信 號 和 輸 出 使 能 有效 ， 讀 寫 信 號 為 高 電 平 。信 號 作 用 順 序 是 :1)指 定 字 存 儲 單 元 的 地 址 有效 ；2)片 選 信 號 和 輸 出 使 能 有 效， 即 由 高 變 低 ；3)經(jīng) 過 一 定 時 間 后 ， 指 定 字存 儲 單 元 的 數(shù) 據(jù) 輸 出 到 數(shù) 據(jù) 總 線 上 。 )0/( WR (2)寫 周 期 寫 操 作 要 求 指 定 字 存 儲 單 元 的 地 址 、 片 選 信 號 和 讀 寫 信 號有 效 。 ,0/ 期 間在 WR1)指 定 字 存 儲 單 元 的 地址 有 效 ；2)片 選

27、信 號 有 效 ， 即 由高 變 低 ；3)待 寫 入 的 數(shù) 據(jù) 有 效 ；4)讀 寫 信 號 有 效 ， 即 由 高 變 低 ； 數(shù) 據(jù) 寫 入 到 指 定 的 字 存 儲 單 元 。 對 于 大 多 數(shù) 的 SRAM， 讀 周 期 和 寫 周 期 相 近 ， 一 般 為 幾 十個 納 秒 。 信 號 間 的 定 時 關(guān) 系 4. 同 步 SRAM和 異 步 SRAM 解 決 的 辦 法 是 ： SRAM與 CPU共 用 系 統(tǒng) 時 鐘 ， CPU在 時 鐘 的 有 效 沿前 給 出 SRAM需 要 的 地 址 、 數(shù) 據(jù) 、 片 選 、 輸 出 使 能 和 讀 寫 信 號 ， 時 鐘有

28、效 沿 到 則 將 它 們 存 于 SRAM的 寄 存 器 中 ； CPU不 必 等 待 ， 可 以 執(zhí) 行其 他 指 令 ， 直 到 SRAM完 成 CPU要 求 的 讀 或 寫 操 作 ， 通 知 CPU做 相 應(yīng) 的處 理 。 之 后 ， CPU與 SRAM又 可 以 進 行 下 一 次 信 息 交 換 。 在 計 算 機 中 ， SRAM通 常 存 儲 中 央 處 理 器 （ CPU） 需 要 的 程序 和 數(shù) 據(jù) 。 因 為 SRAM的 工 作 速 度 遠 低 于 CPU的 速 度 ， 2者 交 換 信息 時 CPU必 須 等 待 ， 使 計 算 機 達 不 到 理 想 的 工 作

29、速 度 。 0 同 步 SRAM:具 有 信 號 同 步 寄 存 器 的 SRAM。 否 則 ， 稱 為 異 步SRAM。 同 步 SRAM可 以 幫 助 CPU高 速 執(zhí) 行 指 令 ， 即 提 高 計 算 機 的 工 作速 度 。 同 步 SRAM的 核 心 是 異 步 SRAM(地 址 譯 碼 器 和 存 儲 陣 列 )； 同 步SRAM與 器 件 外 部 連 接 的 地 址 、 數(shù) 據(jù) 、 片 選 、 輸 出 使 能 和 讀 寫 信 號均 在 時 鐘 CP的 上 升 沿 鎖 存 于 寄 存 器 中 ， 供 SRAM完 成 讀 或 寫 操 作 。 為 了 加 速 CPU與 SRAM的 信

30、 息 交 流 ， 同 步 SRAM通 常 具 有 地址 爆 發(fā) 特 征 。 即 輸 入 一 個 地 址 碼 ， 同 步 SRAM可 以 讀 或 寫 相 鄰 的多 個 地 址 單 元 。 假 設(shè) 計 數(shù) 器 實 現(xiàn) 2位 二 進 制 加 法 計 數(shù) ， 初 態(tài) 為 00。 在 爆 發(fā) 控 制（ Burst Control） BC=1時 ， 爆 發(fā) 邏 輯 電 路 的 輸 出 如 表 9.2.2所 示 。可 獲 得 4個 相 鄰 的 址 碼 ， 供 SRAM進 行 讀 或 寫 操 作 。 計 數(shù) 器 Q 1 Q 0 =1 =1 & BC CP A0 A1 A0 A1 11 3.3.4動 態(tài) 隨 機

31、 存 取 存 儲 器 （ DRAM）1. DRAM的 動 態(tài) MOS存 儲 單 元 NMOS管 T和 存 儲 電 容 CS組 成 動 態(tài) 存 儲 單 元 。 當(dāng) 電 容 存 儲 有 足 夠 的 電 荷時 ， 電 容 電 壓 為 高 電 平 ， 存 儲1； 當(dāng) 電 容 沒 有 存 儲 電 荷 時 ，電 容 電 壓 為 低 電 平 ， 存 儲 0。 缺 點 是 電 容 不 能 長 期 保 持其 電 荷 ， 必 須 定 期 （ 大 約 816個 mS內(nèi) ） 補 充 電 荷 （ 稱 為刷 新 操 作 ） ， 比 SRAM操 作 復(fù)雜 。 刷 新 如 果 Din=0， 則 存 儲 電 容 CS放 電 ，

32、 電 荷 消 失 ， 實 現(xiàn) 寫 0操 作。 0/ WR工 作 原 理 如 下 ：（ 1） 寫 操 作 G1處 于 工 作 態(tài) 、當(dāng) Xi=1、Refreh=0 G2和 G3處 于 高 阻 態(tài) ，NMOS管 T導(dǎo) 通 。 如 果 Din=1， 則 存 儲 電 容 CS充電 ， 獲 得 足 夠 的 電 荷 ， 實 現(xiàn) 寫 1操 作 ； 100 工 作 高 阻10 如 果 存 儲 電 容 CS有 電 荷 ： 則通 過 T向 位 線 的 分 布 電 容 CW放 電， 位 線 電 壓 增 加 ， 經(jīng) 靈 敏 放 大 緩沖 器 G2輸 出 1（ Dout=1） ， 實 現(xiàn)讀 1操 作 ； Refresh

33、=1使 G3工 作 ， 讀 出 的 數(shù) 據(jù) 通 過 G3又 寫 入 到 存 儲 電 容中 （ 類 似 于 寫 操 作 ） 。 如 果 存 儲 電 容 CS沒 有 電 荷 ：則 位 線 電 壓 不 變 ， 靈 敏 放 大 緩 沖器 G2輸 出 0（ Dout=0） ， 實 現(xiàn) 讀 0操 作 。 G1處 于 高 阻 態(tài) 、G2和 G3處 于 工 作 態(tài) ，NMOS管 T導(dǎo) 通 。（ 2） 讀 操 作1/ WR當(dāng) Xi=1、Refreh=1 111 高 阻 工 作T導(dǎo)通10 由 于 電 容 不 能 長 期 保 持 電 荷， 所 以 必 須 對 存 儲 電 容 定 期 刷 新。 如 前 所 述 ， 讀

34、 操 作 自 動 刷 新選 定 的 存 儲 單 元 。 但 是 ， 讀 操 作是 隨 機 的 ， 所 以 ， 在 DRAM中 ， 必須 設(shè) 置 刷 新 定 時 電 路 ， 定 時 啟 動刷 新 周 期 。 對 本 電 路 ， 通 過 定 時 讀 即 可實 現(xiàn) 定 時 刷 新 。(3)刷 新 操 作 2.基 本 DRAM的 結(jié) 構(gòu)存 儲 單 元 是 單 管 動態(tài) 存 儲 單 元 ， 排 列成 1024行 1024列的 存 儲 陣 列 。地 址 位 數(shù) 多 ， 通 常采 用 分 時 復(fù) 用 輸 入地 址 .高 10位 地 址 碼 A 19 A10首 先 輸 入 到 10條 地 址 信號 線 上 ，

35、 RAS存 入 。低 10位 地 址 碼 A9 A0輸入 到 10條 地 址 信 號 線 上 ， CAS存 入 。 3. 基 本 DRAM的 讀 寫 周 期 隨 后 ， 在 讀 周 期 中 ， ，有 效 數(shù) 據(jù) 輸 出 到 D out；在 寫 周 期 中 ， ， 輸入 數(shù) 據(jù) 通 過 Din寫 入 到 指 定 單元 中 保 存 。 1/ WR 0/ WR 從 讀 或 寫 周 期 開 始 ，RAS和 CAS依 次 變 低 將 行地 址 和 列 地 址 順 序 送 入DRAM并 譯 碼 。 4. DRAM的 類 型 除 前 述 的 基 本 DRAM外 ， 為 了 提 高 DRAM的 訪 問 速 度

36、 ， 出 現(xiàn) 了 快 速 頁 模 式DRAM(FPM DRAMFast Page Mode DRAM)、 擴 展 數(shù) 據(jù) 輸 出 DRAM (EDO DRAM-Extended Data Output DRAM)、 爆 發(fā) 式 擴 展 數(shù) 據(jù) 輸 出 DRAM(BEDO DRAM-Burst Extended Data Output DRAM)和 同 步 DRAM (SDRAM-Synchronous DRAM)。 對 于 FPM DRAM， 輸 入 一 個 行 地 址 ， 其 后 可 輸 入 多 個 列 地 址 ， 它 們和 行 地 址 分 別 組 成 全 地 址 ， 選 中 字 存 儲 單

37、 元 并 進 行 讀 或 寫 操 作 。擴 展 數(shù) 據(jù) 輸 出 DRAM（ EDO DRAM） 可 以 擴 展 輸 出 數(shù) 據(jù) 的 有 效 時間 ， 直 到 CAS再 次 有 效 為 止 ， 如 圖 9.2.11的 最 后 一 行 波 形以 讀 操 作 為 例 ， 操 作 時 序 如 圖 9.2.11。 注 意 ， 在 FPM DRAM中 ，當(dāng) 列 地 址 選 通 信 號 CAS無 效 時 ， 沒 有 輸 出 數(shù) 據(jù) ， 見 圖 9.2.11的 倒 數(shù)第 二 行 波 形 。 3.3.5 只 讀 存 儲 器 （ ROM）ROM： 工 作 時 只 能 快 速 地 讀 取 已 存 儲 的 數(shù) 據(jù) 、

38、 而 不 能 快 速地 隨 時 寫 入 新 數(shù) 據(jù) 。優(yōu) 點 ： 最 突 出 的 特 征 是 掉 電 后 數(shù) 據(jù) 不 丟 失 ， 用 于 存 儲 數(shù) 字 系統(tǒng) 中 固 定 不 變 的 數(shù) 據(jù) 和 程 序 。 ROM分 為 可 編 程 PROM （ Programmable ROM） 和 掩 模ROM(Mask ROM)。 Mask ROM： 數(shù) 據(jù) 是 制 造 過 程 中 寫 入 的 ， 可 永 久 保 存 ， 但 使用 者 不 能 改 寫 。 PROM： 數(shù) 據(jù) 是 由 使 用 者 通 過 編 程 工 具 寫 入 的 。 ROM的 尋 址 方 式 與 RAM相 同 ， 采 用 隨 機 尋 址

39、 ， 即 用 地 址 譯 碼 器 選 擇 字 存 儲 單 元 。 ROM可 以 用 雙 極 型 或 單 極 型 （ MOS） 元 件 實 現(xiàn) 。 1 掩 模 只 讀 存 儲 器 的 存 儲 單 元 NMOS管 T是 存 儲 元 件 。 掩 模 只 讀 存 儲 器 的 存 儲 單 元 用 半 導(dǎo) 體 元 件 的 有 或 無 表 示 1或 0 制 作 NMOS管 不 制 作 NMOS管 當(dāng) Xi=1、 OE=0時 ， T導(dǎo) 通 ， 位 線為 低 電 平 ，G為 工 作 態(tài) ，DOUT=1，存 儲 單 元 記 憶 1。 在 圖 (b)中 ， T的 柵 極 與 字 線Xi不 相 連 。當(dāng) Xi=1、O

40、E=0時 ， T不 導(dǎo) 通 ， 位 線 為 高 電 平 ，G為 工 作 態(tài) ， DOUT=0，存 儲 單 元 記 憶 0。1 0 01 在 圖 （ a） 中 ， T的 柵極 與 字 線 Xi相 連 。 1 0 10 2 掩 模 只 讀 存 儲 器 的 結(jié) 構(gòu) 圖 中 地 址 譯 碼 器 輸 出 高 電 平有 效 。 在 存 儲 陣 列 中 ， 字 線 與位 線 的 交 叉 處 是 存 儲 單 元 ， 有元 件 為 1， 無 元 件 為 0 10010110 210101011 300101012 210010101013 XXAAAAAD XXAAAAAAD XXAAAAAAD XXXAAAA

41、AAAAD 存 儲 器 的 數(shù) 據(jù) 輸 出 變 量 是 數(shù) 據(jù) 為 1所 對 應(yīng) 的 地 址 變 量 組 成 的最 小 項 的 邏 輯 和 。 3.3.6 可 編 程 只 讀 存 儲 器 （ PROM）用 紫 外 光 擦 除 的 EPROM 記 為 UV EPROM (Ultraviolet EPROM， 常 簡 記 為 EPROM). 掩 模 ROM的 存 儲 數(shù) 據(jù) 由 制 造 商 在 生 產(chǎn) 過 程 中 寫 入 ， 對系 統(tǒng) 設(shè) 計 者 開 發(fā) 新 產(chǎn) 品 很 不 方 便 。 因 此 ， 出 現(xiàn) 了 由 用 戶寫 入 數(shù) 據(jù) 的 可 編 程 ROM（ PROM） 可 編 程 ROM分 為

42、 : 可 改 寫 一 次 的 PROM（ 沿 用 PROM的 名 稱 ） 可 反 復(fù) 改 寫 的 EPROM(Erasable Programmable ROM) 用 電 方 法 擦 除 的 EPROM 記 為 EEPROM或 E 2 PROM (Electrical EPROM). 1 PROM的 存 儲 單 元 PROM的 存 儲 單 元 由 一 個NMOS管 和 一 個 熔 絲 組 成 。 在 編 程 過 程 中 ， 編 程 器 產(chǎn) 生足 夠 大 的 電 流 注 入 欲 寫 0單元 ， 燒 斷 熔 絲 ； 寫 1單 元 則不 注 入 電 流 。 正 常 工 作 時 ， 熔 絲 不 會 被

43、 燒斷 ， 因 此 ， 保 留 熔 絲 的 單 元存 儲 1， 燒 斷 熔 絲 的 單 元 存儲 0。 由 于 燒 斷 的 熔 絲 不 能 修 復(fù) ，故 PROM只 能 編 程 一 次 。 2個 背 靠 背 的 PN結(jié) 類 型 的PROM出 廠 時 全 部 存 儲 單 元為 0。 編 程 器 使 承 受 反 向 電 壓的 二 極 管 雪 崩 擊 穿 ， 造 成 永久 短 路 ， 寫 入 1。 鎳 鉻 鐵 合 金 和 多 晶 硅 等 效為 熔 絲 型 導(dǎo) 線 ， 可 熔 斷 為 開路 。 這 2類 PROM出 廠 時 全 部存 儲 單 元 為 1。熔 絲 有 3種 ： 鎳 鉻 鐵 合 金 、 多

44、 晶 硅 和 2個 背 靠 背 的 PN結(jié) 。 2 UV EPROM的 存 儲 單 元 可 多 次 編 程 的 EPROM必 須采 用 可 修 復(fù) 的 元 件 。 在 浮 柵 上 注 入 足 夠 的 負 電 荷 后 ， 開 啟 電 壓 增 加 ， 正 常 的 柵 源 電 壓 則 不 能 使 SIMOS管 導(dǎo) 通 。 UV EPROM使 用 的 可 修 復(fù) 的元 件 是 有 兩 個 柵 極 的 疊 柵 雪崩 注 入 MOS管 (SIMOS） 。 一 個 柵 極 埋 置 于 絕 緣 材 料 SiO2中 ， 不 引 出 電 極 ， 稱 為 浮 柵。 另 一 個 疊 于 浮 柵 之 上 引 出電 極

45、， 稱 為 控 制 柵 極 。 浮 柵 上 未 注 入 負 電 荷 前 ，SIMOS管 的 開 啟 電 壓 低 ， 正常 的 柵 源 電 壓 可 使 SIMOS 管導(dǎo) 通 。 浮 柵 上 無 電 荷 時 ， 字 線 高電 平 使 SIMOS導(dǎo) 通 ， 等 效 為 存 儲單 元 有 元 件 ， 存 儲 1； 浮 柵 上 有 電 荷 時 ， 字 線 高電 平 不 能 使 SIMOS導(dǎo) 通 ， 等 效 為存 儲 單 元 無 元 件 ， 存 儲 0。 因 此 ， SIMOS管 是 用 浮 柵 上是 否 有 負 電 荷 來 存 儲 二 值 數(shù) 據(jù)的 。 UV EPROM出 廠 時 浮 柵 上 無 電 荷

46、 。 為 了 在 浮 柵 上 注 入 電 荷 ，控 制 柵 極 和 漏 極 對 源 極 同 時 作 用 比 正 常 電 源 電 壓 高 許 多 的 電 壓 . UV EPROM的 封 裝 頂 部 有 一 個 石 英 窗 ， 紫 外 光 可 直 接 照 射 到SIMOS管 上 ， 照 射 15到 20分 鐘 后 ， 浮 柵 上 的 電 子 獲 得 足 夠 的 能 量 ， 穿 過 SiO2回 到 襯 底 中 。 閃 存 亦 是 利 用 浮 柵 上 有 無 負 電 荷 存 儲 二 值數(shù) 據(jù) 的 ， 存 儲 器 結(jié) 構(gòu) 也 和 ROM相 同 ， 因 此， 傳 統(tǒng) 上 歸 類 于 ROM。3.3.7 閃

47、 存 （ Flash Memories） 但 是 ， 閃 存 具 有 較 強 的 在 系 統(tǒng) 讀 寫 入 能 力 （ 工 作時 能 讀 寫 ） ， 其 優(yōu) 勢 是 傳 統(tǒng) ROM不 可 比 的 。 閃 存 的 出 現(xiàn) 使 計 算 機 的 軟 盤 壽 終 正 寢 ， 大 有 取 代硬 盤 之 勢 。 此 外 ， 閃 存 在 掌 上 電 腦 、 手 機 、 數(shù) 字照 相 機 等 消 費 電 子 設(shè) 備 中 應(yīng) 用 廣 泛 。 1閃 存 的 存 儲 單 元 閃 存 MOS管 ： 與 SIMOS 相 似， 但 有 2點 不 同 ：閃 存 MOS管 的 擦 除 和 注 入 電 壓 小 。二 是 閃 存

48、MOS管 的 源 極 和 漏 極 的 N+區(qū) 不 對 稱 ， 漏 區(qū) 小 ， 源 區(qū) 大 ； 浮 柵 與源 區(qū) 交 疊 ， 形 成 比 EEPROM的 隧 道MOS管 更 小 的 隧 道 區(qū) 。 由 于 存 儲 陣 列 的 閃 存 MOS管 的 源 極 全 部 連 接 在一 起 ， 利 用 隧 道 效 應(yīng) ， 可 以 實 現(xiàn) 眾 多 存 儲 單 元的 批 量 擦 除 。 一 是 浮 柵 與 襯 底 間 的 SiO2厚 度不 同 ， SIMOS厚 （ 30 40nm） , 閃 存 MOS管 薄 （ 10 15nm） ； 2閃 存 的 特 點 和 應(yīng) 用 理 想 的 存 儲 器 具 有 大 容 量

49、 、 非 易 失 、 在 系 統(tǒng) 讀 寫 能 力 、 較 高 的操 作 速 度 和 低 成 本 等 特 點 。 ROM、 PROM、 UV EPROM、 EEPROM、 SRAM和 DRAM，在 前 述 的 某 些 方 面 各 具 有 一 定 優(yōu) 勢 。 只 有 閃 存 綜 合 具 有 理 想 存 儲 器 的 特 點 ， 只 是 在 寫 入 速 度 方 面 比SRAM和 DRAM差 。 存 儲 器 非 易 失 高 密 度 單 管 存 儲 單 元 在 系 統(tǒng) 寫 入 寫 速 度 *閃 存 YES YES YES YES 較 快SRAM NO NO NO YES 最 快DRAM NO YES YE

50、S YES 快MASK ROM YES YES YES NO PROM YES YES YES NOUV EPROM YES YES YES NOEEPROM YES NO NO YES 最 慢 * 寫 入 速 度 是 與 SRAM比 較 的 。 3.4 MOS集 成 電 路 基 礎(chǔ)基 本 電 路 結(jié) 構(gòu) ： MOS器 件 結(jié) 構(gòu) 基 本 電 路 結(jié) 構(gòu) ： CMOS 基 本 電 路 結(jié) 構(gòu) ： CMOS MOS集 成 電 路數(shù) 字 集 成 電 路 、 模 擬 集 成 電 路MOS 數(shù) 字 集 成 電 路基 本 電 路 單 元 ： CMOS開 關(guān) CMOS反 相 器 IN OUTCMOS開 關(guān)

51、WW VDDIN OUTCMOS反 相 器 VDDYA1A2 與 非 門 ： Y=A1A2 3.5 影 響 集 成 電 路 性 能 的 因 素 和 發(fā) 展 趨 勢 有 源 器 件 無 源 器 件 隔 離 區(qū) 互 連 線 鈍 化 保 護 層 寄 生 效 應(yīng) ： 電 容 、 有 源 器 件 、 電 阻 、 電感 小結(jié)：MOS 溝 道 區(qū) (Channel)， 溝 道 長 度 L， 溝 道 寬 度 W 柵 極 (Gate) 源 區(qū) /源 極 (Source) 漏 區(qū) /漏 極 (Drain) NMOS、 PMOS、 CMOS 閾 值 電 壓 Vt， 擊 穿 電 壓 特 性 曲 線 、 轉(zhuǎn) 移 特 性 曲 線 泄 漏 電 流 (截 止 電 流 )、 驅(qū) 動 電 流 (導(dǎo) 通 電 流 ) 小結(jié)：器件結(jié)構(gòu) 雙 極 器 件 的 縱 向 截 面 結(jié) 構(gòu) 、 俯 視 結(jié) 構(gòu) CMOS器 件 的 縱 向 截 面 結(jié) 構(gòu) 、 俯 視 結(jié) 構(gòu) CMOS反 相 器 的 工 作 原 理 IC： 有 源 器 件 、 無 源 器 件 、 隔 離 區(qū) 、 互連 線 、 鈍 化 保 護 層 作 業(yè)畫出CMOS反相器的截面圖和俯視圖