《半導(dǎo)體存儲器》課件

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1、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),,7.1 概述 7.2 只讀存儲器( ROM ) 7.3 隨機(jī)存儲器( RAM ) 7.4 存儲器容量的擴(kuò)展 7.5 用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),第七章 半導(dǎo)體存儲器,內(nèi)容提要,本章系統(tǒng)地介紹各種半導(dǎo)體存儲器的工作原理及其應(yīng)用。重點內(nèi)容有： 1、存儲器的基本工作原理、分類和每種類型存儲器的特點； 2、擴(kuò)展存儲器容量的方法； 3、用存儲器設(shè)計組合邏輯電路的原理和方法。,7.1 概 述,半導(dǎo)體存儲器是能存儲二值信息（0、1）的半導(dǎo)體器件，屬大規(guī)模集成電路，是進(jìn)一步完善數(shù)字系統(tǒng)功能的重要部件。,存儲器的重要指標(biāo)：存儲量和存取速度。,結(jié)構(gòu)特點：給每個存儲單元編一個地址，只有被輸入地址代

2、碼指定的那些單元才能與公共的輸入/輸出引腳接通，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出和寫入。,半導(dǎo)體存儲器從制造工藝上分為: (1)雙極型存儲器 (2)MOS型存儲器,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采用MOS工藝制作的。,(2) 隨機(jī)存儲器( RAM ),(1) 只讀存儲器( ROM ),半導(dǎo)體存儲器從存、取功能上分為：,7. 2 只讀存儲器( ROM ),按工藝分,按存儲機(jī)理分,只讀存儲器在正常工作狀態(tài)下只能讀取數(shù)據(jù)，不能快速修改或?qū)懭霐?shù)據(jù)。,優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，斷電數(shù)據(jù)不會丟失。,7. 2 只讀存儲器( ROM ),7. 2. 1 掩模只讀存儲器,ROM的電路結(jié)構(gòu)主要由地

3、址譯碼器、存儲矩陣和輸出緩沖器三部分組成。,圖7.2.1 ROM的電路結(jié)構(gòu)框圖,圖7.2.2 二極管ROM的電路結(jié)構(gòu)圖,,,,,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A1,A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D3,D2,D1,D0,-VCC,譯,碼,器,EN,,,,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A1,A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D3,D2,D1,D0,-VCC,譯,碼,器,假設(shè) ：,A1A0 11,,1,1,1,0,

4、0,,,EN,當(dāng)某一字線被選中時，,這個字線與位線間若接有二極管，,則該位線輸出為 1 ，否則為0。,假設(shè) ：,,,,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A1,A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D3,D2,D1,D0,-VCC,譯,碼,器,0,1,0,1,,,A1A0 10,EN,假設(shè) ：,,,,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A1,A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D3,D2,D1,D0,-VCC,譯,碼,器,0,1,

5、0,1,,A1A0 01,EN,假設(shè) ：,,,,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A1,A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D3,D2,D1,D0,-VCC,譯,碼,器,,0,0,1,1,A1A0 00,EN,,,,A1A0,A1A0,A1A0,A1A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,A1,A0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D3,D2,D1,D0,-VCC,譯,碼,器,,,,,,,,,,,,,,EN,圖7.2.3是使用 MOS 管的ROM 矩陣：,字線與位

6、線的交叉點上有 MOS 管時相當(dāng)于存1，無 MOS 管時相當(dāng)于存0。,7. 2. 2 可編程只讀存儲器（PROM）,是一種可編程序的 ROM ，在出廠時全部存儲 “1”，用戶可根據(jù)需要將某些單元改寫為 “0”, 然而只能改寫一次，稱其為 PROM。,若將熔絲燒斷，該單元則變成“0”。顯然，一旦燒斷后不能再恢復(fù)。,圖7.2.4 熔絲型PROM的存儲單元,7.2.3 可擦除的可編程只讀存儲器,EPROM:紫外線可擦除的可編程只讀存儲器 (簡稱UVEPROM),E2PROM:電可擦除的可編程只讀存儲器,Flash Memory：快閃存儲器,,1) 存儲單元--疊柵MOS管（SIMOS）,原理：

7、利用浮柵是否積累負(fù)電荷來存儲數(shù)據(jù)。在寫入數(shù)據(jù)前：浮柵無電子，SIMOS管同正常MOS管，開啟電壓為VT ；寫數(shù)據(jù)時，需在漏、柵極之間加足夠高的電壓（如25V）使漏極與襯底之間的PN結(jié)反向擊穿，產(chǎn)生大量的高能電子。這些電子穿過氧化絕緣層堆積在浮柵上，從而使浮柵帶有負(fù)電荷。浮柵有電子后，控制柵需要加更大正壓才能使管子開啟，開啟電壓為VT。,1. EPROM:紫外線可擦除只讀存儲器,1. EPROM:,擦除時，用紫外光照射其透明的石英蓋板1020分鐘，浮柵上的電子形成光電流而泄放，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)將全部擦除了，這時可以再通過專用的編程器寫入希望的數(shù)據(jù)。,由于浮柵被絕緣二氧化硅包圍，浮柵上電荷沒有放電回路

8、，信息不會丟失，這種存儲的信息可能安全保存20年以上，但為了防止平時日光中的紫外線的照射，在其石英窗口上帖上黑紙。,2. E2PROM: 電可擦除的PROM,E2PROM是在EPROM的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，可以在加電的情況下以字節(jié)為單位進(jìn)行擦除和改寫,并可直接在機(jī)器內(nèi)進(jìn)行擦除和改寫,方便靈活。,E2PROM內(nèi)部電路與EPROM電路類似,在SIMOS中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些調(diào)整，在浮柵延長區(qū)與漏區(qū)N+之間的交疊處的薄絕緣層相當(dāng)于一個遂道二極管（見圖7.2.10），該MOS管也稱為隧道MOS管。,E2PROM不需要紫外光激發(fā)放電，即擦除和編程只須加電就可以完成了，且寫入的電流很小。,原理：利用浮柵是否積累

9、負(fù)電荷來存儲數(shù)據(jù)。在D、G正向電壓作用下，漏極電荷通過該二極管流向浮柵，使管子導(dǎo)通；若D、G加反向電壓，浮柵上的電荷流回漏極，起擦除作用，擦除電壓大小與工作電壓相同,是80年代末推出的新型存儲芯片,它的主要特點是在掉電情況下可長期保存信息,具有非易失性，原理上看象ROM；但又能在線進(jìn)行快速擦除與改寫,功能上象RAM,因此兼有E2PROM和SRAM的優(yōu)點。,3、快閃存儲器(Flash Memory),內(nèi)部電路與EPROM電路類似,在SIMOS中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些調(diào)整。,原理：利用浮柵是否積累負(fù)電荷來存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入與EPROM 相同；數(shù)據(jù)擦除，在源極加正電壓，使浮柵放電，按扇區(qū)擦除。,Flash

10、有單片應(yīng)用和固態(tài)盤應(yīng)用，固態(tài)盤分卡式和盤式兩種。閃速卡,用在可移動計算機(jī)中,如數(shù)字相機(jī),手機(jī),CD-ROM等。閃速固態(tài)盤,用于惡略環(huán)境中代替硬盤。,讀取速度較快(100ns左右),低功耗,改寫次數(shù)目前達(dá)100萬次,價格接近EPROM。存儲容量從幾十KB, 到幾十MB、幾GB等。體積小,可靠性高,內(nèi)部無可移動部分,無噪聲,抗震動力強(qiáng),是小型硬盤的代替品。,7. 3 隨機(jī)存儲器( RAM ),隨機(jī)存儲器又稱讀寫存儲器。,隨機(jī)存儲器的特點是：在工作過程中，可隨時從存儲器的任何指定地址讀出數(shù)據(jù)，也可以隨時將數(shù)據(jù)寫入任何一個指定的存儲單元中去。,按存儲機(jī)理主要可分為 靜態(tài)RAM 、動態(tài)RAM兩類；靜態(tài)和

11、動態(tài)RAM是易失性存儲器，在供電電壓中斷時，存儲內(nèi)容丟失。,7. 3. 1靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）,(1) 存儲矩陣：,存儲器容量= 字?jǐn)?shù)字長,如一個1024 4存儲器，有4096個存儲單元。,可設(shè)計成64 64的矩陣形式。,(2) 地址譯碼：,存儲單元中每個字有唯一的地址，利用地址譯碼器進(jìn)行地址選擇。,大容量的 存儲器中，一般采用雙譯碼結(jié)構(gòu)：,行地址譯碼器 + 列地址譯碼器,存儲器的容量指的是每個存儲芯片所能存儲的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。,行地址譯碼器,行選擇線,列地址譯碼器,列選擇線,1024 4(64 16 4)的存儲器的地址線：,,6根行地址線：(A8A7A6A5A4A3),4根列地址線:

12、(A9A2A1A0),譯碼產(chǎn)生64根行選擇線,譯碼產(chǎn)生16根列選擇線,若A9A8A7A6A5 A4A3A2A1A0=0111111000，,則選中Y0和X63。,,圖7.3.2 1024 4位RAM（2114）的結(jié)構(gòu)框圖,,二、 SRAM靜態(tài)存儲單元:,1,介紹靜態(tài)RAM存儲單元的工作原理:,由增強(qiáng)型 NMOS管T1和 T2、T3和T4 構(gòu)成一個SR鎖存器，,它是存儲信息的基本單元。,靜態(tài)RAM特點是： 數(shù)據(jù)由觸發(fā)器記憶！,1,T5和T6是門控管，,由字線Wi控制其導(dǎo)通或截止：,Wi1 ，,否則就截止。,兩管導(dǎo)通；,門控管T5和T6導(dǎo)通時可以進(jìn)行“讀”或“寫”的操作。,1,,,,,,,,,,,

13、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,VGG,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Wi,D,D,,I/O,R / W,,1,2,3,T2,T3,T4,T5,T6,,,,,,,T1,字線,數(shù)據(jù)線,數(shù)據(jù)線,R / W的控制作用：,,而門2處于高阻狀態(tài)，,0,三態(tài)門1、3接通，,0,0,使 I/O 信號得以經(jīng)過門1、3送到數(shù)據(jù)線上，以便寫入 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,VGG,,,,,,,,,,,,,,,,,

14、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Wi,D,D,,I/O,R / W,,1,2,3,T2,T3,T4,T5,T6,,,,,,,T1,字線,數(shù)據(jù)線,數(shù)據(jù)線,R / W的控制作用：,,門1、3處于高阻狀態(tài)，,1,門2接通，,1,將數(shù)據(jù)線上信號送到 I / O，以便讀出。,1,,,,*7.3.2 動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）,為減少MOS管數(shù)目,提高集成度和降低功耗,出現(xiàn)了動態(tài)RAM器件。,常見的動態(tài)RAM存儲單元有三管和單管動態(tài)存儲電路。,見書圖7.3.7、圖7.3.8,動態(tài)RAM存儲數(shù)據(jù)的原理是基于MOS管柵極電容的電荷存儲效應(yīng)。,即存放信息靠的是電容,,由于電容會逐漸放電,故需

15、對動態(tài)RAM不斷進(jìn)行讀出和再寫入,這就是所謂刷新。,靜態(tài)RAM(即SRAM),其存儲電路以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基礎(chǔ),狀態(tài)穩(wěn)定,只要不掉電,信息不會丟失,但集成度低。,動態(tài)RAM(即DRAM),存儲單元電路以電容為基礎(chǔ),電路簡單,集成度高,功耗低,因電容漏電,需定時刷新。,小 結(jié),7.4 存儲器容量的擴(kuò)展,(1K4),(2K8),7.4.1 位擴(kuò)展 方式,用兩片2114( 1024 4 )構(gòu)成 1024 8,只要把各片地址線、各控制線對應(yīng)并聯(lián)在一起，,要達(dá)到這個目的方法很簡單，,示范接線如下圖：,7.4.2 字?jǐn)U展 方式,思路：,( 1) 訪問4096個字單元，必然有 12 根地址線；,( 2) 訪

16、問 RAM2114，只需 10 根地址線，尚余 2根地址線 ；,( 3) 設(shè)法用剩余的 2根地址線去控制4個2114的片選端 。,通過用10244 ( 4片2114 ) 構(gòu)成40964為例，介紹 解決這類問題的辦法。,用四片 RAM 2114 構(gòu)成 4096 4 的存儲容量,A11,A10,選中片序號,對應(yīng)的存儲單元地址,0 0,1 1,1 0,0 1,2114(1),2114(2),2114(3),2114(4),00 0000000000 00 1111111111,1024 2047,2048 3071,3072 4095,,,,,,CS,,R/W,A9,A0,D2,D1,D0,

17、D3,,CS,,R/W,A9,A0,D2,D1,D0,D3,,CS,,R/W,,A9,A0,D2,D1,D0,D3,,CS,,R/W,,A9,A0,D2,D1,D0,D3,,2114 (1),2114 (2),2114 (3),2114 (4),,,01 0000000000 01 1111111111,10 0000000000 10 1111111111,11 0000000000 11 1111111111,0 1023,7. 5 用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù),ROM的譯碼器輸出包含了輸入變量全部的最小項,而每一位數(shù)據(jù)輸出又都是若干個最小項之和,因而任何形式的組合邏輯函數(shù)均能通過向ROM中寫

18、入相應(yīng)的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。,例如，左表是一個ROM的數(shù)據(jù)表。如果將地址輸入A1和A0視為輸入變量B和A，把輸出數(shù)據(jù)D3 、D2 、 D1 和D0視為輸出變量Y3、 Y2、 Y1和 Y0，則該ROM就實現(xiàn)了一組兩變量的多輸出組合邏輯函數(shù)。,例7.5.1 試用ROM設(shè)計一個八段字符顯示譯碼器,其真值表由表7.5.2給出。,解：由給定的真值表可見，應(yīng)取輸入地址為4位，輸出數(shù)據(jù)為8位的（168位）的ROM來實現(xiàn)。,圖中以接入二極管表示存入0，未接入二極管表示存入1。,例7.5.2 試用ROM產(chǎn)生如下的一組多輸出邏輯函數(shù)。,解:將表達(dá)式化為最小項之和的形式得,圖7.5.2 例7.5.2的ROM點陣圖,課后練習(xí),7.1, 7.2, 7.4,思考題：7.5,第七章 結(jié) 束,