第8章半導體存儲器電子電氣基礎課程規劃教材數字電子技術(第2版）01概述PARTONE半導體存儲器的特點與技術指標1.半導體存儲器的特點半導體存儲器是一種利用半導體器件來存儲大量二值數據的大規模集成電路，其功能是在數字系統中存放不同程序的操作指令及各種需要計算處理的數據資料。半導體存儲器具有體積小、集成度高、價格低、可靠性高、外圍電路簡單、便于接口及大批量生產等特點，故廣泛地應用于電子計算機及部分數字系統中。半導體存儲器的特點與技術指標2.半導體存儲器的技術指標半導體存儲器的主要技術指標有：存取時間、存儲容量、體積、功耗、可靠性和成本等。（1）存取速度存儲芯片的存取速度常用存取時間來度量。存取時間是指將信息存入存儲器或從存儲器中讀出信息所需要的時間，一般用讀（或寫）周期來描述，以納秒（ns）為單位。存儲時間的長短將影響存儲器的工作速度，存取時間越短，工作速度越快。半導體存儲器的特點與技術指標（2）存儲容量存儲容量是指存儲器能夠存儲的二進制數位數，是我們選擇存儲芯片的重要參數。由于存儲器由基本存儲位元（存儲細胞）構成，一個基本存儲位元只能存放一個1或一個0,即存放1位（bit）二進制信息，故存儲器的存儲容量即為該存儲器基本存儲位元的總數，單位為bit,簡寫為小寫字母b。在存儲器中，一般由若干個基本存儲位元組成一個存儲單元，對存儲芯片的讀寫是以某個存儲單元為對象的。所以存儲器存儲容量常寫成“芯片存儲單元數x每單元的二進制位數”的形式，如2Kx4b,它表示該存儲芯片有2K（1K=210=1O24）個存儲單元，每個存儲單元包含4位二進制數，總容量為8Kb。在微機系統中，一個存儲單元由8個基本存儲位元組成，通常稱為1字節（Byte）,簡寫為大寫的字母B,存儲器的容量也常用其所含的字節數B為單位，如16KB,它表明該存儲器含有16K字節，因為每字節為8位，故其總存儲容量為16Kx8b=128Kb。半導體存儲器的特點與技術指標（3）存儲器功耗存儲器功耗是指存儲器在正常工作時所消耗的電功率。該電功率由“維持功耗”與“操作功耗”兩部分組成。通常半導體存儲器功耗與存取速度有關，存取速度越快，功耗越大。因此在保證存取速度的前提下，存儲器的功耗越小越好。（4）存儲器可靠性存儲器可靠性是指存儲器對周圍電磁場、溫度、濕度等的抗干擾能力。由于半導體存儲器常釆用VLSI(超大規模集成電路)工藝制成，故其可靠性通常較高，壽命也較長，平均無故障時間可以達到幾千小時以上。半導體存儲器的分類1.按存取方式分類半導體存儲器從存、取功能上可以分為只讀存儲器(Read-OnlyMemory,ROM)和隨機存取存儲器(RandomAccessMemory,RAM)兩大類。(1)只讀存儲器(ROM)①只讀存儲器最初指在工作過程中，只能讀出而不能寫入信息的存儲器，但隨著科技進步，只讀存儲器已不能局限于這一定義。它屬于固定存儲器，計算機或數字系統中需要長期保存的數據就存放于其中，其內存數據掉電時不會丟失。常①掩膜ROM：利用掩膜工藝制造，在工廠中已將信息寫入，以后不可更改。②可編程ROM(ProgrammableROM),即PROM：由廠家生產出“空白”存儲器，用戶可根據需要，釆用特殊方式寫入信息(即編程，俗稱燒寫)，但只能寫入一次，之后不能更改。見的有以下幾種：半導體存儲器的分類③可擦除的PROM(ErasableProgrammableROM),艮卩EPROM：一般指可用紫外線擦除的EPROM,該芯片允許用戶多次編程和擦除。擦除時，通過向芯片窗口照射紫外線15分鐘左右將芯片中的信息擦除后，就可再次寫入信息。④電擦除的PROM(ElectricallyErasableProgrammableROM),即E2PROM：該存儲器允許用戶多次編程和擦除，擦除和改寫時，可釆用加電方法在線進行，寫入時需特定的編程電壓(一般為20?25V),可以字節為單位進行擦除和改寫。⑤閃速存儲器(FlashMemory),即快速整體電擦除EPROM：該芯片可整體或部分快速寫入和擦除，但不能按字節寫入和擦除，寫入和擦除同時進行。半導體存儲器的分類(2)隨機存取存儲器(RAM)隨機存取存儲器指在工作過程中，能隨時寫入和讀出信息的存儲器。RAM存儲器通常用來存放數據、中間結果和最終結果，它的讀寫速度通常比ROM快很多，常被用于彌合不同電路間的速度差。一般RAM掉電后信息將會丟失，但目前有些RAM芯片，內部帶有電池，掉電后信息仍可保存。常見的有以下兩種：①靜態RAM(StaticRAM),即SRAM：以六管構成的雙穩態觸發器為基本存儲位元，訪問速度快，只要不掉電，信息就不會丟失，無須刷新。但由于基本存儲位元管子數目較多且功耗較大，適合在小容量存儲器中使用。②動態RAM(DynamicRAM),即DRAM：其基本存儲位元常見的是單管構成，以電容為基礎存儲信息，結構簡單，集成度高且功耗較低，多用在存儲容量較大的系統中，如微機中的內存條就是由DRAM組成。但由于電容的漏電性，為保證信息不丟失，需為其配備專門的刷新電路。半導體存儲器的分類2.按制造工藝分類半導體存儲器從制造工藝上也可以分為兩大類：雙極型存儲器和MOS型存儲器。雙極型存儲器用雙極型觸發器作為基本存儲單元，具有速度快、功耗大、價格高的特點，主要在一些對速度要求較高的場合使用；MOS型存儲器用MOS觸發器作為基本存儲單元，具有集成度高、功耗小、價格低、工藝簡單等特點，主要用于大容量存儲系統中。02只讀存儲器(ROM)PARTTWOROM芯片基本結構和工作原理1.ROM芯片基本結構典型ROM芯片的內部電路可分為存儲矩陣、地址譯碼器、輸出緩沖器及存儲器控制電路幾部分，其電路結構如圖8.2.1所示。ROM芯片基本結構和工作原理存儲矩陣是存儲器的主體，實質上是由存儲單元（一個存儲單元又常被稱為一個字）組成的集合體，每個存儲單元又包含若干個基本存儲位元，從而形成存儲陣列。每個存儲單元所包含的基本存儲位元個數由存儲器容量中的“字長”來決定，存儲陣列中所包含的存儲單元數由存儲容量中的“字數”來決定。若一個存儲器可存N個字，每個字字長為則存儲器的容量為N×M,單位為位（b）。通常組成基本存儲位元的元件可以是電容、半導體二極管、三極管和MOS管等。地址譯碼器由地址寄存器和譯碼器兩部分組成。地址寄存器用于存放CPU送來的地址碼，譯碼器則對地址寄存器中的地址碼進行譯碼，產生相應的地址選擇信號，進而選中相應的存儲單元，有時也稱選中相應的字。ROM芯片基本結構和工作原理輸出緩沖器實際上是一個三態、雙向的緩沖器，用于鎖存從存儲單元中讀出的每位信息,或用于存放需要寫入存儲單元的信息，因此是一個雙向的緩沖器；三態主要是為了便于和系統總線連接，其位數由存儲陣列中存儲單元的位數決定。例如，8Kx4位存儲器的三態雙向緩沖器應當有4位。三態雙向緩沖器受控制電路和輸出允許信號控制。控制電路主要是通過接收CPU（中央處理器）送來的控制信號，經過組合變換后對地址寄存器、存儲陣列和三態緩沖器等進行控制。ROM芯片基本結構和工作原理ROM芯片基本結構和工作原理ROM芯片基本結構和工作原理2.ROM芯片基本工作原理各類ROM的存儲單元結構及編程原理通常，只讀存儲器（ROM）中的控制程序和常數、表格等是在特殊條件下由計算機執行程序寫入的，因此又稱為編程ROMo按照編程的方式，只讀存儲器（ROM）可以分為掩膜編程ROM、可編程ROM（PROM）、可擦除的可編程ROM（EPROM）等幾種類型。1.掩膜ROM掩膜ROM又稱之為掩膜編程ROM（MaskProgrammableROM）,這是因為ROM中的信息是在制造芯片的過程中，按照掩膜工藝編程寫入的。掩膜ROM按地址譯碼的不同可分為單譯碼與雙譯碼兩種編址結構形式，但其工作原理是相同的。現以單譯碼編址掩膜ROM為例加以介紹。各類ROM的存儲單元結構及編程原理各類ROM的存儲單元結構及編程原理各類ROM的存儲單元結構及編程原理2.PROMPROM是可編程ROM的簡稱，它克服了掩膜ROM中程序和常數、表格等數據需要在制造時寫入的缺點。PROM存儲器在出廠時并無任何信息存儲，用戶可以根據自己的需要來寫入程序和常數。圖8.2.4所示為一個32*8的熔絲式PROM原理圖。各類ROM的存儲單元結構及編程原理各類ROM的存儲單元結構及編程原理各類ROM的存儲單元結構及編程原理3.EPROMEPROM是可擦除的可編程ROM的簡稱。這種ROM可以重復多次使用，每次編程前只需要先進行一次擦除即可。因此EPROM在計算機與數字系統中的應用非常廣泛，特別是能滿足實驗與科學研究工作的需要。按照信息擦除的方法，EPROM通常分為UVEPROM（紫外光可擦除PROM）與E2PROM（電可擦除PROM）。前者的“基本存儲單元”中的內容可以通過紫外光來擦除，后者的“基本存儲單元”中的內容可以通過電脈沖來擦除。各類ROM的存儲單元結構及編程原理（1）P溝道FAMOS管UVEPROM是一種紫外光擦除的PROM,其“基本存儲單元”通常由一只FAMOS管和—只普通MOS管構成。其中FAMOS（FloatinggateAvalancheinjectionMOS）管是浮置柵雪崩注入MOS管的簡稱，通常可以分為P溝道FAMOS管和N溝道FAMOS管兩種。各類ROM的存儲單元結構及編程原理圖8.2.5所示為P溝道FAMOS管的內部結構圖。由圖可見，FAMOS管有一個生長在同一基片上的源極和漏極，源極S和漏極D分別生長了一個高濃度P型區，源極和漏極間為絕緣物二氧化硅SiQ2,其間埋設了一個浮置柵。若浮置柵內無電荷，表示管內存“1”；若浮置柵內有電荷，表示管內存“0”。因此FAMOS管是通過浮置柵內有無電荷生成導電溝道來存儲信息的。對于受過紫外光擦除或新出廠的因浮置柵內無電荷而截止，這也是為何讀新出廠的UVEPROM時，讀出的內容全部為“1”的原因。各類ROM的存儲單元結構及編程原理各類ROM的存儲單元結構及編程原理（2）基本存儲單元UVEPROM的基本存儲單元電路如圖8.2.6所示。圖中字線由字地址譯碼器輸出端引出，Ti是公共負載管，一條“位線”一個，T2與T3組成了“基本存儲單元”電路。其工作原理為：若要讀“1”（即T3浮置柵內無電荷），則字線為高電平（+5V）,T2管雖然可以導通，但因FAMOS管浮置柵中無電荷而截止，Rc電壓經Ti管后在位線上輸出高電平“1”；若要讀“0”（即T3浮置柵內有電荷），則T2和T3因FAMOS管浮置柵內有電荷而導通，故位線上輸出低電平"0”。各類ROM的存儲單元結構及編程原理在UVEPROM存儲芯片的中央有一個石英玻璃窗口，當紫外光透過小窗口照射時，片內浮置柵內的電荷便會泄漏。因此編程后的UVEPROM切忌在陽光下暴曬，應用不透光的過濾紙把窗口遮蓋起來。UVEPROM通常是在專用擦除器內擦除的，操作十分方便，一般用12mW/cm2的紫外光，相距芯片3cm照射10miii～20min,便可使FAMOS管恢復關斷狀態。UVEPROM的優點是集成度高，缺點是工作速度慢、功耗大、擦除時間長，數據易丟失。E2PROM電可擦除的PROM是一種利用電脈沖擦除所存信息的EPROMo擦除信息時無須像UVEPROM—樣，要將芯片從系統中拆卸下來，它可以在線擦除，并能通過通信線路進行遠距離擦除和再編程。擦除時可利用兩種擦除方式：一次擦除1字節（需要50ms的單脈沖）；一次擦除整塊芯片。電可擦除的PROM的“基本存儲單元”釆用的是疊柵隧道MOS管（簡稱SIMOS管），疊柵隧道MOS管的特點是浮置柵與D極間有一個厚度很薄的隧道區。疊柵隧道MOS管的結構示意圖如圖8.2.7所示。E2PROM圖8.2.7中柵極G與控制柵相連，浮置柵在控制柵的下方，浮置柵與高滲雜N+（漏極區D）間為隧道區。S與D分別為源極與漏極，基片為P-Si,故圖827所示為N溝道疊柵隧道管。若浮置柵上帶有負電荷，則疊柵隧道管截止；反之疊柵隧道管處于導通狀態。E2PROMN溝道疊柵隧道管常常與N溝道增強型MOS管一起構成EEPROM的“基本存儲單元”。圖8.2.8所示為該“基本存儲單元”的電路圖。從圖中可知，當N溝道增強型MOS管T1的柵極Gi為高電平時（即字線選中），疊柵隧道管T2若導通，則位線為低電平；反之，若T2管截止，則位線為高電平。前者相當于存儲單元的內容為“0”,后者相當于存儲單元內容為“1”。E2PROM的優點是重復改寫次數較多（可達一萬次），存儲信息時間長（最多可達20年），適合遠距離編程。其缺點是擦、寫的時間較長。E2PROM5.快閃存儲器（FlashMemory）快閃存儲器也是一種電可擦除的PROMo它采用了一種類似EPROM的單管疊柵結構的存儲單元，其結構示意圖如圖8.2.9所示。快閃存儲器中釆用的疊柵MOS管與EPROM中釆用的FAMOS管很相似，不同之處在于浮置柵與襯底間氧化層的厚度不一樣。EPROM中的氧化層厚度要厚一些，達到30?40μm,而快閃存儲器中氧化層的厚度只有10?15μm°快閃存儲器的存儲單元結構如圖8.2.10所示。讀出狀態下，字線會給出+5V的高電平，若浮置柵內無電荷，則疊柵MOS管導通，位線上便輸出低電平；若浮置柵內有負電荷，則疊柵MOS管截止，位線上便輸出高電平。E2PROM快閃存儲器的寫入方法也是利用雪崩注入的方式使浮置柵充電，從而將“1”和“0”保存在快閃存儲器中。其擦除方法則是利用隧道效應進行的，與E2PROM寫“0”的方法類似,但是由于快閃存儲器中所有疊柵MOS管的源極S全部連在一起，故擦除時所有存儲單元的內容將同時被刪除，所以其速度遠高于之前所述的幾種存儲器。03隨機存取存儲器(RAM)PARTTHREERAM的基本結構和工作原理RAM電路通常由存儲陣列、地址譯碼器和讀/寫控制電路構成。電路結構示意圖如圖8.3.1所示。RAM的基本結構和工作原理RAM的存儲單元RAM存儲器的核心元件是存儲矩陣中的存儲單元，根據存儲單元的不同，通常可以分為靜態RAM和動態RAM兩大類。前者依靠觸發器存儲二進制信息，后者依靠存儲電容存儲二進制信息。靜態RAM的存儲容量較小，動態RAM的存儲容量較大。下面通過靜態和動態存儲單元的兩個例子，介紹它們的具體電路和工作原理。1.靜態隨機存取存儲器（SRAM）的存儲單元靜態RAM的基本存儲單元是觸發器，通常由6個晶體管構成，如圖8.3.2所示。圖中T3和T4為負載管（相當于兩個電阻）,?T5和T6為門控管，Ti和T2為存儲管。RAM的存儲單元RAM的存儲單元（1）寫入過程RAM的存儲單元(2)讀出過程RAM的存儲單元2.動態隨機存取存儲器(DRAM)的存儲單元動態RAM基本存儲電路是以電荷形式存儲二進制信息的，通常分為單管、三管和四管動態RAM存儲電路，但廣泛應用的還是單管動態RAM存儲電路。現以單管動態RAM為例來分析動態RAM存儲信息的原理，其電路結構如圖8.3.3所示。這是一個NMOS型單管動態RAM的基本存儲電路。圖中Cg為存儲電容，若Cg上有電荷，則表示存儲電路存“1”；若電容Cg上無電荷，表示存“0”；T為MOS管，當開關使用。其工作過程如下。RAM的存儲單元(1)寫入過程當圖中存儲電路被選中工作時，字線匹為高電平，MOS管T導通，位線b上的寫入信息電平便可經過T管直接送入存儲電容Cg。若位線厶上的寫入信息為高電平“1”，則存儲電容被充電到這個高電平;若位線b上的寫入信息為低電平“0”,則Cg通過地放電到低電平“0”。因此動態RAM存儲信息的原理是以存儲電容上是否有電荷來判斷的，有電荷表示存“1”，無電荷表示存"0”。RAM的存儲單元(2)讀出過程對存儲電路讀出時，字線W也為高電平，故T導通，Cg上的電壓可直接送到位線b上。若讀“1”，則Cg上電荷使位線3輸出高電平“1”；若為讀“0”，則因Cg上無電荷，故位線b輸出低電平“0"。從上述分析可知，單管動態RAM存儲一位二進制信息只需一個MOS管，故其集成度高，成本低，適合制造大容量存儲器。而對于那些未被選中的存儲單元來說，由于字線W為低電平，存儲“1”的那些電容Cg上的電荷由于無泄放通道而保留了下來。但是Cg上的電荷還是會有少量泄露的，因此為了保持住Cg上的信息，必須周期性地給存“1”的存儲電路充電。這個充電過程就稱之為刷新。通常需要2ms左右的時間來完成所有動態RAM存儲單元的刷新。RAM存儲容量的擴展在實際應用中，經常需要大容量的存儲器。在單個存儲芯片容量不能滿足要求時，就需要進行擴展，將多個存儲芯片組合起來，構成更大的存儲器。ROM與RAM的擴展基本相同，這里以RAM芯片Intel2114為例進行介紹。Intel2114是容量為1Kx4位的MOS靜態RAM,其引腳分布圖畛8.3.4所示。圖中A0?A9為地址線，I/O1?I/O4為數據輸入輸岀線，為片選

輸入端，為讀寫

控制端。RAM存儲容量的擴展1.位擴展當存儲芯片的字數夠用而每個字位數不夠的時候，需用到位擴展oRAM常有每個存儲單元是1或4位的結構，要組成1字節（8位）的存儲單元需要使用多個同樣的芯片。例如，使用兩個1KX4位結構的211