数字电路半导体存储器原理
第七章 半导体存储器
三、知识点
1、重点掌握的知识点 （1）各种ROM的电路结构和工作原理； （2）SRAM的的电路结构和工作原理；
（3）存储器容量的扩展方法；
（4）用存储器实现组合逻辑函数的方法。 2、一般掌握的知识点
（1）各种ROM存储单元的特点； （2）SRAM的静态存储单元。
7.1 概述
半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导 体器件。 一、半导体存储器的一般结构形式 存储单元数目庞大，输入/输出引脚数目有限。
译成某一条字线有效，从存储矩阵中选中一行存储单元；
列地址译码器将输入地址代码的其余若干位(Ai+1~An-1)译 成某一根输出线有效，从字线选中的一行存储单元中再 选一位(或n位)，使这些被选中的单元与读/写电路和 I/O(输入/输出端)接通，以便对这些单元进行读/写操作。
读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控 制。CS′称为片选信号，当CS′=0时，RAM工作， CS′=1时，所有I/O端均为高阻状态，不能对RAM 进行读/写操作。
11A7 ~ A0 768 ~ 1023
256 ~ 511
7.5 用存储器实现组合逻辑函数
ROM广泛应用于计算机、电子仪器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电子测量设备和数
控电路，其具体应用有专门的教材进行论述，这里仅介绍用
ROM在数字逻辑电路中的应用。 分析ROM的工作原理可知，ROM中的地址译码器可产
生地址变量的全部最小项，能够实现地址变量的与运算，即
A0~An-1
D0
W0
W2n-1
Dm
地
A1
址
A0 D3
数
D2
据
D1 D0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 0 1
sram bit 8个晶体管电路
sram bit 8个晶体管电路SRAM (Static Random Access Memory) 是一种基于晶体管的半导体存储器。
它不需要刷新电路，可以随时读写，速度快，应用广泛。
本文将介绍一个 SRAM 的 8 位单元电路，包含 8 个晶体管。
下面将详细介绍电路工作原理和实现方法。
一、SRAM 原理SRAM 是在 MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) 可控电阻基础上发展起来的存储器，它的基本单元是一个双稳态电路。
这种电路可以在两种稳定状态之间切换，代表 1 或 0的存储状态。
具体来说，SRAM 的每个存储单元包括一个反相器（Inverter）和一个传输门（Transmission Gate）。
当传输门的开关控制引脚为高电平时，反相器的输出会被保存在传输门的存储电容器上；当传输门的开关控制引脚为低电平时，反相器的输出不会被保存在传输门上。
二、电路图及分析接下来介绍的是一个包含 8 个 SRAM 单元的电路图，如下所示：图中矩形框内部分为一个 SRAM 单元。
T1 和 T2 形成一个反相器，输出为 Q1；T3和 T4 形成另一个反相器，输出为 !Q1。
T5 和 T6 形成传输门，用来控制 Q1 的保存和释放。
T7 和 T8 形成传输门，用来控制 !Q1 的保存和释放。
在电路图中同时连接了 8 个 SRAM 单元，所以分别存在 Q1~Q8 和 !Q1~!Q8 两路电路。
Q1~Q8 构成一个 8 位字节的存储单元，用来保存数据，!Q1~!Q8 则是其补码。
当Q1~Q8 中的传输门为开状态（控制引脚为高电位），则存储的数据被保存在它们的电容器中。
当传输门为关状态（控制引脚为低电位），则数据可能会被改变或者保持不变。
半导体存储器和可编程逻辑器件
半导体存储器和可编程逻辑器件随着科技的不断进步，半导体技术及其应用越来越广泛，半导体存储器和可编程逻辑器件作为其中的重要组成部分，已经成为数字电路和计算机系统设计中必不可少的一部分。
本文将对半导体存储器和可编程逻辑器件的原理、应用、发展及未来趋势进行详细介绍。
一、半导体存储器半导体存储器是以半导体器件为主要构成材料的存储器器件，主要是用于存储数字信息。
其原理是根据内存存储器芯片内部的存储单元进行数据的读写操作。
目前最常见的半导体存储器有静态随机存储器（SRAM）、动态随机存储器（DRAM）、闪存存储器等。
1. 静态随机存储器（SRAM）SRAM是一种速度非常快的存储器，它的读写速度比DRAM快多了，通常用于将计算机的一级缓存内存中。
SRAM 是一种静态存储器，也就是说，当一条数据被存储在SRAM中时，只要电源没有被关闭，它就会一直保存在那里，在这种情况下，SRAM的读写速度都非常快。
2. 动态随机存储器（DRAM）DRAM是一种速度比较慢的半导体存储器，它是一种动态存储器，也就是说，它的存储单元采用电容器构成，所以需要不断地刷新，否则将会丢失存储数据。
目前，很多计算机主板上内存插槽里的内存条用的就是DRAM。
3. 闪存存储器闪存存储器具有非常高的可靠性、速度和存储容量，同时功耗也很低，所以广泛应用于计算机、手机、相机等各种电子设备存储信息。
闪存存储的最大特点是可以长期保存数据，并且不需要电源来保持其数据状态。
二、可编程逻辑器件可编程逻辑器件是一种能够实现设计者可以根据需要对其进行编程的器件。
它是一种可以通过编程改变其内部电路连接方式的芯片。
可以通过内部的可编程电路连接元器件来实现逻辑门电路、模拟电路和数字逻辑实现等。
常见的可编程逻辑器件有可编程门阵列（PGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、现场可编程门阵列（FPGA）等。
1. 可编程门阵列（PGA）PGA是一种集成度较低的可编程逻辑器件，它包含一个大量的与门和或门，可以用来实现一些简单的逻辑功能。
微机原理第5章半导体存储器(精)
高速缓冲存储器(Cache)。这个存储器 所用芯片都是高速的,其存取速度可与微处 理器相匹配,容量由几十K～几百K字节,通常 用来存储当前使用最多的程序或数据。
内存储器,速度要求较快(低于Cache),有一 定容量(受地址总线位数限制),一般都在几十 兆字节以上。
3
外存,速度较慢,但要求容量大,如软盘, 硬盘,光盘等。其容量可达几百兆至几十个 GB,又称“海量存储器”,通常用来作后备存 储器,存储各种程序和数据,可长期保存,易于 修改,要配置专用设备。
M / IO
•
1
前1K
A11
•
1
后1K
23
前 1K A =0 11 0000000000000000 ～ 0000001111111111B 即 0000～03FFH
后 1K A =1 11 0000100000000000 ～0000101111111111B 即 0800～0BFFH
可见,地址不连续!
选用存储器时,存取速度最好选与CPU 时序相匹配的芯片。另外在满足存储器总 容量前提下,尽可能选用集成度高,存储容量 大的芯片。
14
5.2 读写存储器RAM
5.2.1 静态RAM(SRAM) SRAM的基本存储电路由6个MOS管
组成,为双稳态触发器，其内部结构请自 己看书。
⒈ 2114存储芯片,为1K*4位
27
图中数据总线驱动器采用74LS245,其逻
辑框图与功能表三态如下:
门
A
•
•B
使能 方向控制
G
DIR
操作
&
•
•
0
0
BA
0
1
AB
pmos工作原理
pmos工作原理PMOS工作原理。
PMOS是一种金属氧化物半导体场效应晶体管，它是一种主要用于数字电路中的半导体器件。
PMOS工作原理是指当栅极电压为负时，PMOS处于导通状态，而当栅极电压为正时，PMOS处于截止状态。
接下来将详细介绍PMOS的工作原理。
首先，我们来看一下PMOS的结构。
PMOS晶体管由P型衬底、N型源极、漏极和P型栅极组成。
当栅极电压为负时，P型栅极和P型衬底之间的反向偏置减小，导致P型衬底和源极之间的反向偏置减小，从而使得漏极和源极之间形成导通通道，PMOS处于导通状态。
而当栅极电压为正时，P型栅极和P型衬底之间的反向偏置增大，导致P型衬底和源极之间的反向偏置增大，从而使得漏极和源极之间断开导通通道，PMOS处于截止状态。
其次，我们来分析PMOS的工作特性。
由于PMOS的工作原理决定了当栅极电压为负时，PMOS处于导通状态，而当栅极电压为正时，PMOS处于截止状态，因此PMOS的导通特性与NMOS相反。
这也决定了在数字电路中，PMOS和NMOS可以互补地使用，实现逻辑电路的各种功能。
最后，我们来讨论一下PMOS的应用。
由于PMOS的工作原理和特性，它在数字电路中有着广泛的应用。
例如，PMOS可以用于静态随机存取存储器（SRAM）中的传输门，还可以用于CMOS逻辑电路中的负载。
此外，PMOS还可以用于模拟电路中的电流源和电流镜等电路中。
总之，PMOS的工作原理是当栅极电压为负时处于导通状态，而当栅极电压为正时处于截止状态。
PMOS的工作特性决定了它在数字电路中的重要应用。
希望通过本文的介绍，您对PMOS的工作原理有了更清晰的了解。
mos的工作原理
mos的工作原理MOS(Metal-O某ide-Semiconductor)是一种基于场效应晶体管技术的半导体器件，用于制作各种应用的集成电路。
MOS的工作原理基于半导体PN结和金属导体、氧化层之间的相互作用。
在MOS器件中，金属导体和半导体之间的氧化物形成了不同的氧化状态，从而控制了器件的导电特性。
MOS具有低功耗、高稳定性、制造成本低等优点，广泛应用于各种数字电路、放大器电路、模拟电路和存储器等领域。
MOS的结构形式主要包括pMOS和nMOS两种类型，分别由p型半导体和n型半导体构成。
nMOS与pMOS的开关原理不同，nMOS的导通通过给源极加正电压，而pMOS通过给源极加负电压来实现导通。
下面将分别介绍nMOS和pMOS的工作原理。
1.nMOS：nMOS由一个p型半导体基底、一层n型沟道和一层金属导电层构成。
在正常情况下，沟道是不导电的，因为金属电极和沟道之间的氧化物具有一定的绝缘性。
当向金属电极施加正电压时，沟道下方会形成一个p型区域，这可以促使电子从n型区域向p型区域移动，这个过程被称为势垒调制。
当沟道下方出现足够的空穴时，沟道变成了由n型异质区和p型区域构成的导通通道。
如果将金属电极换成另一个电压，则电荷通道会关闭，沟道变为不导电状态。
2.pMOS：pMOS由一个n型半导体基底、一层p型沟道和一层金属导电层构成。
与nMOS不同的是，pMOS的响应电压相反。
在正常情况下，pMOS的沟道处于导电状态。
当施加负电压时，会在n型基底中产生一个n型区域，从而吸引沟道中的空穴，导致沟道关闭，于是电荷流无法通过。
如果将金属电极换成另一个电压，则导电沟道会打开，从而允许电荷流。
总之，MOS的工作原理基于场效应晶体管技术，通过氧化层和金属导体之间的相互作用来控制电荷流的导通。
MOS优点是低功耗，制造成本低，能够制作高性能的存储器，缺点是面积和封装方式限制了集成度的发展，以及一定程度上的灵敏度问题，需要定期的校准。
半导体存储器
第7章半导体存储器内容提要半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，本章主要介绍了（1）顺序存取存储器（SAM）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）的工作原理。
（2）各种存储器的存储单元。
（3）半导体存储器的主要技术指标和存储容量扩展方法。
（4）半导体存储器芯片的应用。
教学基本要求掌握：（1）SAM、RAM和ROM的功能和使用方法。
（2）存储器的技术指标。
（3）用ROM实现组合逻辑电路。
理解SAM、RAM和ROM的工作原理。
了解：（1）动态CMOS反相器。
（2）动态CMOS移存单元。
（3）MOS静态及动态存储单元。
重点与难点本章重点：（1）SAM、RAM和ROM的功能。
（2）半导体存储器使用方法（存储用量的扩展）。
（3）用ROM 实现组合逻辑电路。
本章难点：动态CMOS 反相器、动态CMOS 移存单元及MOS 静态、动态存储单元的工作原理。
7.1■■■■■■■■■半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路，是现代数字系统的 重要组成部分。
半导体存储器分类如下：I 融+n 右西方性翼静态（SRAM ）（六管MO 白静态存储单元） 随机存取存储器〔^^'｛动态侬^1口3网又单管、三管动态则□吕存储单元） 一固定艮cmil 二极管、M 口号管） 可编程RDM （PROM ）［三极管中熠丝上可擦除可编程ROM （EPROM ）［叠层栅管、雪崩j1-电可擦除可编程良口财（EEPROM^【叠层栅管、隧道）按制造工艺分，有双极型和MOS 型两类。
双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。
MOS 型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。
按存取方式分，有顺序存取存储器（SAM ）、随机存取存储器（RAM ）和只读存储器（ROM ）三类。
（1）顺序存取存储器（简称SAM ）：对信息的存入（写）或取出（读）是按顺序进行的，即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。
（2）随机存取存储器（简称RAM ）：可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。
半导体工作原理
半导体工作原理半导体是一种具有特殊导电性质的物质，它在现代电子技术中起着重要的作用。
本文将深入探讨半导体的工作原理及其在电子设备中的应用。
一、半导体基础知识半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料，其导电性介于金属和非金属之间。
半导体中的载流子可以是电子或空穴，它们的行为受到原子晶格结构及掺杂材料的影响。
二、杂质掺杂为了改变半导体的导电性能，可以通过掺杂来引入少量杂质原子。
掺杂分为两种类型：n 型掺杂和 p 型掺杂。
n 型半导体是通过在原有半导体中加入能够提供自由电子的掺杂原子，如磷或砷。
p 型半导体是通过在原有半导体中加入能够提供空穴的掺杂原子，如硼或铝。
三、PN结PN 结是由一个p 型半导体与一个n 型半导体直接接触形成的结构。
在 PN 结中，由于电子从 n 区域向 p 区域迁移，形成了一个电子富集区。
同时，由于空穴从 p 区域向 n 区域迁移，形成了一个空穴富集区。
这两个富集区之间形成了一个电势差，称为内建电压。
PN 结的工作原理基于这一内建电势差。
四、正向偏置和反向偏置在实际应用中，PN 结可以通过外加电压来改变其导电性能。
当外加正向电压时，即 p 区域连接正极，n 区域连接负极，这种情况下，电子从 n 区域向 p 区域迁移，空穴从 p 区域向 n 区域迁移，PN 结导通。
这被称为正向偏置。
当外加反向电压时，即 p 区域连接负极，n 区域连接正极，这种情况下，电子和空穴被引向迁移到 PN 结两端，PN 结不导电。
这被称为反向偏置。
五、二极管二极管是由一个 P 型半导体和一个 N 型半导体组成的器件。
在二极管中，当施加正向电压时，电流通过，而在施加反向电压时，电流被阻止通过。
二极管可用于整流、保护电路及信号调制等应用。
六、晶体管晶体管是一种三层结构的半导体器件，由一个 p 型半导体和两个 n型半导体组成。
晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两种。
晶体管的工作原理基于外加电压的控制，当外加电压超过一定阈值时，电流得以通过，否则电流被阻断。
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ATA:全称Advanced Technology Attachment，是用传
统的40-pin 并口数据线连接主板与硬盘的， 外部接口速度最大为133MB/s .
IDE: 英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即
“电子集成驱动器”，俗称PATA并口。
SATA:（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未
第七章 半导体存储器
内容提要
本章将系统地介绍各种半导体存储器的工作原理 和使用方法。半导体存储器包括只读存储器（ROM） 和随机存储器（RAM）。在只读存储器中，介绍了 掩模ROM、PROM和快闪存储器等不同类型的ROM 的工作原理和特点；而在随机存储器中，介绍了静态 RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种类型。 此外，介绍了存储器扩展容量的连接方法，重点放在 这里。
7.1 概述
（2）从制造工艺上分类
从制造工艺上存储器可分为双极型和单极型 （CMOS型），由于MOS电路（特别是CMOS电路）， 具有功耗低、集成度高的优点，所以目前大容量的存 储器都是采用MOS工艺制作的。
硬盘:（港台称之为硬碟，英文名：Hard Disc Drive
简称HDD 全名 温彻斯特式硬盘）是电脑主要的存储 媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组 成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都 是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。
来PC机硬盘的趋势.
SATA II:是芯片巨头Intel英特尔与硬盘巨头Seagate希捷
在SATA的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率 从SATA的150MB/s进一步提高到了300MB/s .
SCSI:英文全称为“Small Computer System Interface”
（小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全不 同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI 并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于 小型机上的高速数据传输技术。
RAM使用灵活方便，可以随时从其中任一指定地 址读出（取出）或写入（存入）数据，缺点是具有数 据的易失性，即一旦失电，所存储的数据立即丢失。 例如：PC机系统上的内存，DDR=Double Data Rate双 倍速率同步动态随机存储器。严格的说DDR应该叫 DDR SDRAM，人们习惯称为DDR，其中，SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩 写，即同步动态随机存取存储器。而DDR SDRAM是 Double Data Rate SDRAM的缩写，是双倍速率同步动 态随机存储器的意思。DDR内存是在SDRAM内存基 础上发展而来的，仍然沿用SDRAM生产体系 。
*掩模ROM在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据 写入存储器中，一旦ROM制成，其存储的数据就固 定不变，无法更改。
7.1 概述
PROM在出厂时存储内容全为1（或者全为0),用户可 根据自己的需要写入，利用通用或专用的编程器，将 某些单元改写为0(或为1)。 EPROM是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据不 但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重 写，所以具有较大的使用灵活性。它的数据的写入需 要通用或专用的编程器，其擦除为照射擦除，为一次 全部擦除。电擦除的PROM有 E2PROM和快闪ROM。
本章内容
7.1 概述
7.2 只读存储器（ROM）
7.3 随机存储器（RAM） 7.4 存储器容量的扩展 7.5 用存储器实现组合逻辑函数
7.1 概述
1. 半导体存储器的定义 半导体存储器就是能存储大量二值信息（或称作 二值数据）的半导体器件。它是属于大规模集成电路， 由于计算机以及一些数字系统中要存储大量的数据， 因此存储器是数字系统中不可缺少的组成部分，其组 成框图如图7.1.1所示。
输 入 出 电 路
/ 图7.1.1
I/O
输入/出控制
7.1 概述
2.存储器的性能指标 由于计算机处理的数据量很大，运算速度越来越 快，故对存储器的速度和容量有一定的要求。所以将 存储量和存取速度作为衡量存储器的重要性能指标。 目前动态存储器的容量已达109位/片，一些高速存储 器的存取时间仅10ns左右。 3.半导体存储器的分类 （1）从存取功能上分类 从存取功能上可分为只读存储器（Read－Only Memory，简称ROM）和随机存储器（Random Access Memory，简称RAM）。
FLASH存储器：又称闪存，它结合了ROM和RAM的长
处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还 不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优 势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。
不同的厂商，不同的组织，各自制定了自己的 FLASH存储卡标准，所以就有了现在五花八门的闪存 卡。目前比较流行的闪存卡种类有CF卡、SD卡、 MMC卡、MS记忆棒、xD卡等，为了追求更快的读写 速度和更小的体积，在这些卡的基础上，又衍生出了 mini-SD、RS-MMC、Ultra CF、MS Pro Duo、T-Flash 等等更快速更小的卡种，使得原本复杂的存储卡卡种 变得更加纷乱了。
7.1 概述
a. ROM （非易失性存储器） ROM的特点是在正常工作状态下只能从中读取数据， 不能快速随时修改或重新写入数据。其电路结构简单， 而且断电后数据也不会丢失。缺点是只能用于存储一 些固定数据的场合。
ROM可分为掩模ROM、可编程ROM（Programmable Read－Only Memory，简称PROM）和可擦除的可编 程ROM（Erasable Programmable Read－Only Memory，简称EPROM）。
7.1 概述
b.随机存储器RAM（读写存储器） （静态易失性存储器） 随机存储器为在正常工作状态下就可以随时向存 储器里写入数据或从中读出数据。 根据采用的存储单元工作原理不同随机存储器又 可分为静态存储ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ（Static Random Access Memory， 简称SRAM）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称DRAM） SRAM的特点是数据由触发器记忆，只要不断电， 数据就能永久保存 。但SRAM存储单元所用的管子数 量多，功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺点， 则产生了DRAM。它的集成度要比SRAM高得多，缺 点是速度不如SRAM。