第七章半导体存储器
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《半导体存储器》课件
嵌入式系统中的应用
半导体存储器广泛应用于 嵌入式系统，如智能家居、 汽车电子和工业控制。
计算机内存
半导体存储器是计算机主 存储器的重要组成部分， 用于临时存储数据和程序。
智能手机内存
手机内存运行应用程序和 存储数据，半导体存储器 提供了高速和可靠的数据 存取。
未来半导体存储器的发展方向
1 3D垂直存储器
《半导体存储器》PPT课 件
半导体存储器PPT课件大纲
什么是半导体存储器？
半导体存储器定义
半导体存储器是指使用半导体材料制造的存储器，它可以将数据存储在芯片内部的电子元件 中。
存储器的分类
常见的半导体存储器包括静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）和 闪存存储器。
常见的半导体存储器
通过增加垂直堆叠层数来增加存储容量，提高存储密度和性能。
2 非易失性存储器
开发更加稳定和可靠的非易失性存储器，提供更长久的数据存储和保护。
3 全新器件技术
研发新型的器件结构和材料，以满足不断增长的存储需求和更高的速度要求。
总结
半导体存储器的重要性
半导体存储器在现代计算和通信领域发挥着关键作用，对技术和社会的发展产生积极影响。
静态随机存取存储器 （SRAM）
SRAM具有快速读写速度和较 短的访问时间，适用于高性 能的应用。
动态随机存取存储器 （DRAM）
DRAM具有较大的存储容量和 较低的成本，广泛应用于个 人电脑和服务器。
闪存存储器
闪存存储器具有非易失性和 较高的耐用性，适用于便携 设备的存储需求。
半导体存储器的工作原理
1
SRAM的工作原理
SRAM使用触发器实现数据的存储和读取，具有较快的访问速度和数据保持能力。
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
第七章 半导体存储器 半导体存储器的分类
第七章 半导体存储器数字信息在运算或处理过程中，需要使用专门的存储器进行较长时间的存储，正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。
存储器的种类很多，本章主要讨论半导体存储器。
半导体存储器以其品种多、容量大、速度快、耗电省、体积小、操作方便、维护容易等优点，在数字设备中得到广泛应用。
目前，微型计算机的内存普遍采用了大容量的半导体存储器。
存储器——用以存储一系列二进制数码的器件。
半导体存储器的分类根据使用功能的不同，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM —Random Access Memory ）和只读存储器（ROM —Read-Only memory ）。
按照存储机理的不同，RAM 又可分为静态RAM 和动态RAM 。
存储器的容量存储器的容量=字长（n ）×字数（m ）7.1随机存取存储器（RAM ）随机存取存储器简称RAM ，也叫做读/写存储器，既能方便地读出所存数据，又能随时写入新的数据。
RAM 的缺点是数据的易失性，即一旦掉电，所存的数据全部丢失。
一． RAM 的基本结构由存储矩阵、地址译码器、读写控制器、输入/输出控制、片选控制等几部分组成。
存储矩阵读/写控制器地址译码器地址码输片选读/写控制输入/输出入图7.1—1 RAM 的结构示意框图1. 存储矩阵RAM 的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵。
图7.1—5所示是1024×1位的存储矩阵和地址译码器。
属多字1位结构，1024个字排列成32×32的矩阵，中间的每一个小方块代表一个存储单元。
为了存取方便，给它们编上号，32行编号为X 0、X 1、…、X 31，32列编号为Y 0、Y 1、…、Y 31。
这样每一个存储单元都有了一个固定的编号（X i 行、Y j 列），称为地址。
11113131131********列 译 码 器行译码器...........位线位线位线位线位线位线.......X X X Y Y Y 0131131A A A A A A A A A A 地 址 输 入地址输入0123456789D D数据线....图7.1－5 1024×1位RAM 的存储矩阵2． 址译码器址译码器的作用，是将寄存器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。
《半导体存储器》课件
04
制造设备
用于将掺杂剂引入硅片。
用于在硅片上生长单晶层 。
掺杂设备 外延生长设备
用于切割硅片。
晶圆切割机
制造设备
光刻机
用于将电路图形转移到硅片上。
刻蚀机
用于刻蚀硅片表面。
镀膜与去胶设备
用于在硅片表面形成金属层或介质层，并去 除光刻胶。
测试与封装设备
用于对芯片进行电气性能测试和封装成最终 产品。
分类
根据存储方式，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ ROM）。
历史与发展
1 2 3
早期阶段
20世纪50年代，半导体存储器开始出现，以晶 体管为基础。
发展阶段
随着技术的进步，20世纪70年代出现了动态随 机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器 （SRAM）。
当前状况
现代半导体存储器已经广泛应用于计算机、移动 设备、数据中心等领域。
物联网和边缘计算
在物联网和边缘计算领域应用半导体存储器，实现高 效的数据存储和传输。
CHAPTER
05
案例分析：不同类型半导体存 储器的应用场景
DRAM的应用场景
01
DRAM（动态随机存取存储器）是一种常用的半导体存储器，广泛应 用于计算机和服务器等领域。
02
由于其高速读写性能和低成本，DRAM被用作主内存，为CPU提供快 速的数据存取。
外延生长
在硅片上生长一层或多 层所需材料的单晶层。
掺杂
通过扩散或离子注入等 方法，将掺杂剂引入硅 片。
制造流程
01
光刻
利用光刻胶将电路图形转移到硅片 上。
镀膜与去胶
在硅片表面形成金属层或介质层， 并去除光刻胶。
制造设备
用于将掺杂剂引入硅片。
用于在硅片上生长单晶层 。
掺杂设备 外延生长设备
用于切割硅片。
晶圆切割机
制造设备
光刻机
用于将电路图形转移到硅片上。
刻蚀机
用于刻蚀硅片表面。
镀膜与去胶设备
用于在硅片表面形成金属层或介质层，并去 除光刻胶。
测试与封装设备
用于对芯片进行电气性能测试和封装成最终 产品。
分类
根据存储方式，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ ROM）。
历史与发展
1 2 3
早期阶段
20世纪50年代，半导体存储器开始出现，以晶 体管为基础。
发展阶段
随着技术的进步，20世纪70年代出现了动态随 机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器 （SRAM）。
当前状况
现代半导体存储器已经广泛应用于计算机、移动 设备、数据中心等领域。
物联网和边缘计算
在物联网和边缘计算领域应用半导体存储器，实现高 效的数据存储和传输。
CHAPTER
05
案例分析：不同类型半导体存 储器的应用场景
DRAM的应用场景
01
DRAM（动态随机存取存储器）是一种常用的半导体存储器，广泛应 用于计算机和服务器等领域。
02
由于其高速读写性能和低成本，DRAM被用作主内存，为CPU提供快 速的数据存取。
外延生长
在硅片上生长一层或多 层所需材料的单晶层。
掺杂
通过扩散或离子注入等 方法，将掺杂剂引入硅 片。
制造流程
01
光刻
利用光刻胶将电路图形转移到硅片 上。
镀膜与去胶
在硅片表面形成金属层或介质层， 并去除光刻胶。
第7章半导体讲义存储器
存储器与CPU的接口
存储器与CPU连接时需考虑的问题： 1．CPU总线的带负载能力
CPU通过总线与ROM、RAM及输入/输出接口 相连接时的负载能力； 2．存储器组织、地址分配
存储器的类型
只读存储器 ROM
半 导 体 存 储 器
随机存储器 RAM
掩膜ROM
可编程ROM
电可擦PROM EEPROM
光可擦PROM EPROM
双极型 MOS型
静态 动态
存储器的性能指标
存储器的性能指标
包括存储容量，存取速度，可靠性及性能价格比。 l存储容量：指每个存储器芯片所能存储的二进制 数的位数，用存储单元数与存储单元字长（或数据 线位数）的乘积来描述。
l 掩膜ROM：通过掩膜技术制作或不制作晶体管栅 极实现的。
l PROM：为了弥补ROM成本高和不能改变其内容 的不足，出现了一种由用户编程且只能写入一次的 PROM。出厂时PROM为熔丝断裂型，未写入时每 个基本存储电路都是一个带熔丝的三极管或二极管。 编程后丝断为“1”，未断者为“0”。
只读存储器ROM
6116(2K*8)的技术指标：采用CMOS工艺制造，单 +5V电源，额定功率160mW，典型存取时间200ns， 24线双列直插式封装。
随机读写存储器RAM
l DRAM：基本存储电路为带驱动晶体管的电容，电容上 有无电荷被视为逻辑1和0，容量大，功耗低，结构简单， 集成度高，生产成本低。但由于电容漏电，仅能维持2ms左 右，故需要专门电路定期进行刷新，以维持其中所存的数 据。现在用得内存大多数是由DRAM构成的。
随机读写存储器RAM
l SRAM：用双稳态触发器作存储单元存放1和0， 存取速度快，电路简单，不需刷新。但集成度较低， 功耗较大，成本较高，容量有限，只适用于存储容 量不大的场合。
数字电路第7章教程
数
据
位线 输
出 端
位扩展
8片1024×1位RAM接成1024×8位的RAM。
字扩展
4片256×8位的RAM接成1024 ×8位的RAM。
7.5 用存储器实现组合逻辑函数
例7.5.2 试用ROM产生如下一组多输出逻辑函数
Y1 ABC ABC
YY23
ABCD ABCD
BCD AB ABCD
7.3 随机存储器（RAM)
R. andom A. ccess M. emory 优点：读、写方便,使用灵活。
缺点：一旦停电所存储的数据将随之丢失（易
失性）。
基本结构：地址译码器、存储矩阵和读\写控
制电路构成。
P368图7.3.2
7.4 存储容量的扩展
存储容量＝ 字数×位数
地址输入端
字线
存储容量＝ 22×4＝4×4
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。
按存储 功能分
只读存储器（ROM） 随机存储器（RAM）
按制造 工艺分
双极性 MOS型
பைடு நூலகம்
7.2 只读存储器（ROM)
Read Only Memory
优点：电路结构简单，断电后数据不丢失，具
有非易失性。
缺点：只适用于存储固定数据的场合。
第七章
半导体存储器
教学内容
§7.1 概述 §7.2 只读存储器 §7.3 随机存储器 §7.4 存储容量的扩展 §7.5 用存储器实现组合逻辑函数
教学要求
1.了解二极管、晶体管ROM的基本结构 和存储单元结构；会用ROM实现组合逻 辑函数。
2.熟悉RAM的结构和操作过程；了解 RAM的扩展方式。
第7章 半导体存储器 48页PPT
图7.2.12给出了E2PROM存储单元在三种不同工作状 态下各个电极所加电压的情况。
（a）读出状态 （b）擦除（写1）状态 （c）写入（写0）状态
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
三、快闪存储器（Flash Memory）
采用与EPROM中的叠栅MOS管相似的结构，同 时保留了EEPROM用隧道效应擦除的快捷特性。理 论上属于ROM型存储器；功能上相当于RAM。
若浮置栅上不带有电荷，则FAMOS管截止， 源极－漏极间可视为开路，所存信息是1。
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
不带电 -截止 -存1
(a)浮置栅MOS管的结构 (b)EPROM存储单元
2019年
图7.2.6 浮置栅EPROM
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
随机存储器和只读存储器的根本区别在于，正常 工作状态下可以随时向存储器里写入数据或从中读出 数据。
根据所采用的存储单元工作原理的不同，又将随 机存储器分为静态存储器（Static Random Access Memory，简称SRAM）和动态存储器（Dynamic Random Access Memory，简称DRAM）。
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
返回
图7.3.2 1024 4位RAM（2114） 的结构框图
2019年
新疆大学信息科学与工程学院 《数字电路课题组》
返回
图7.3.3 六管NMOS静态存储单元
静态存储单元是在静态触发器的基础上附加门控管而 构成的。因此，它是靠触发器的自保功能存储数据的。
图7.6.8 改进的两相无比型动态MOS 移位寄存单元
《半导体存储器》PPT课件
存储时间—存储器读出（或写入）数据的时间。一般用 读（或写）周期来表示。
.
04.12.2020
3
存储器的写操作：
地址寄存器
101
地 址 译 地址总线 码 器来自数据寄存器10010001
按字节组织的存储器阵列
0
11 000010
1
10 111010
2
01 100000
3
11 001101
4
11 110001
1. 固定ROM（掩模ROM ） 厂家把数据“固化”在存储器中，用户无法进 行任何修改。使用时，只能读出，不能写入。
2. 一次性可编程ROM（PROM） 出厂时，存储内容 全为1（或全为0），用户可根据自己的需要进行 编程，但只能编程一次。
用户对PROM编程是逐字逐位进行的。
首先通过字线和位线选择需要编程的存储单元，
04.12.2020
8
2.二极管ROM 二极管固定ROM举例
0 （1）电路组成：
01
由二极管与门和或门构成。
（2）ROM电路的工作原理
二 极 管 的 结 构 图
ROM
与门阵列组成译码器，或 门阵列构成存储阵列。
01 10 01
04.12.2020
11
. 9
（2）输出信号表达式
与门阵列输出表达式：
28××××系列的芯片都是E2PROM 。
.
04.12.2020
14
三、快闪存储器（Flash Memory）
闪存是一种高密度的读/写型存储器（高密度表 示更大的存储容量），也是非易失性的存储器，这意 味着数据可以在没有电源供电的情况下保存。存储器 中数据的擦除和写入是分开进行的，数据写入方式与 EPROM相同，一般一只芯片可以擦除/写入100万次 以上。
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•字线与位线的 交点都是一个
A7 A6
4 A3 线 A2 |
Байду номын сангаас
存储单元。
16
A5
A1 线
A4
A0 译
码
•交点处有
器
MOS管相当存
0，无MOS管
相当存1。
A3 A2
A1
A0
该存储器的容量=?
+V D
存储
D
R
R•••
R R 矩阵
Y0
Y1
• • • Y 14
Y 15
•••
S3 I0
I1
I14
I15
S2 S1
···
Y7
8根列地址 选择线
存储单元
若容量为256×4 的存储器，有256个字，8根地址线A7-A0， 但其数据线有4根，每字4位。
32根行地 址选择线
A4
行 X0
A3
地 X1 址·
A2
译·
A1
码·
A0
器 X31
A5
A6
A7
列地址译码器
Y0
Y1
···
··· ···
···
8根列地 址选择线
Y7
1024个 存储单
按写入情况划分
三极管ROM
MOS管ROM
固定ROM
PROM
可编程ROM EPROM
E2PROM
7.1.1 ROM的定义与基本结构
地址译码器
地
地 址 输 入
址 译 码
器
存储矩阵
存储矩阵
输出控制电路
控制信号输 入
输出控制电路
数据输出
地址译码器
译码 单译码 ---n位地址构成 2n 条地址线。若n=10，则有1024条地址线 方式 双译码 --- 将地址分成两部分，分别由行译码器和列译码器共同译码
元
存储单元
若给出地址A7-A0 = 000 11111，哪个单元的内容可读/写？
1）ROM（二极管PROM）结构示意图
位线
R
M=44
+5V
R
R
R
Y0
地址译码器 A 1 A0
A1
Y1
A0 Y2
2 线 -4 线
译 码 器 Y3
输出控制电路
OE
D3
D2
D1
D0
存储 矩阵
字线
当OE=0时
地址 内容
A1 A0 D3 D2 D1 D0
断电后信息不会丢失，常用于存放固定信息（如程序、常数等）。
几个基本概念：
字长（位数）：表示一个信息多位二进制码称为一个字，
字的位数称为字长。 字数：字的总量。 字数=2n （n为存储器外部地址线的线数） 地址：每个字的编号。
存储容量（M)：存储二值信息的总量。存储容量（M)＝字数×位数
A5
A6
A7
16 线 -1 线 数 据 选 择 器
S0
Y
D0
以上两种称为掩膜ROM，其存储矩阵中的内 容在出厂时已被固定，用户不能修改。
PROM
PROM是一种可编程序的 ROM ，采用熔丝结构， 只给用户一次编程机会。在出厂时全部存储 “1”，用 户可根据需要将某些单元改写为 “0” 。
将熔丝烧断，字线、 位线在此交叉，该单 元变成“0”。
把变量值（角度）作为地址码，其对应的函数值作为 存放在该地址内的数据，这称为 “造表”。使用时， 根据输入的地址(角度)，就可在输出端得到所需的函数 值，这就称为“查表”。
Y0
A4
行 X0
A3
地 X1 址·
A2
译·
A1
码·
A0
器 X31
列地址译码器
Y1
···
Y7
··· ···
···
7.1 .1 ROM的 定义与基本结构
只读存储器，工作时内容只能读出，不能随时写入，所以 称为只读存储器。(Read-Only Memory)
ROM的分类
二极管ROM
按存贮单元中 器件划分
其输出为存储矩阵的行列选择线，由它们共同确定欲选择 的地址单元。
例若如给：出容量地为址2A567×-A10的=0存0储1 0器0001，将选中哪个存储单元读/写？
32根行地址 选择线
A4
行 X0
A3
地 X1 址·
A2
译·
A1
码·
A0
器 X31
A5
A6
A7
列地址译码器
Y0
Y1
···
··· ···
32 ×8 =256 个存储单元
（3）使输出使能信号 OE 有效，经过一定延时后，有效数 据出现在数据线上；
（4）让片选信号 CE 或输出使能信号OE 无效，经过一定延时 后数据线呈高阻态，本次读出结束。
7.1.6 ROM的应用举例
（1） 用于存储固定的专用程序
（2） 利用ROM可实现查表或码制变换等功能
查表功能 －－ 查某个角度的三角函数
第七章半导体存储器
教学基本要求：
• 掌握半导体存储器字、位、存储容量、地址等基本 概念。
• 掌握RAM、ROM的工作原理及典型应用。 • 了解存储器的存储单元的组成及工作原理。
概述
半导体存贮器能存放大量二值信息的半导体器件。 存储器的主要性能指标 存储数据量大——存储容量大 取快速度——存储时间短 可编程逻辑器件是一种通用器件，其逻辑功能是由用户 通过对器件的编程来设定的。它具有集成度高、结构灵 活、处理速度快、可靠性高等优点。
DRAM (Dynamic RAM)：动态RAM 固定ROM
ROM
PROM
(Read-Only Memory)
可编程ROM
EPROM E2PROM
RAM(随机存取存储器): 在运行状态可以随时进行读或写操作。
存储的数据必须有电源供应才能保存, 一旦掉电, 数据全部丢失。
ROM(只读存储器)：在正常工作状态只能读出信息。
7.1 只读存储器
7.1 .1 ROM的 定义与基本结构 7.1.2 两维译码 7.1.3 可编程ROM 7.1.4 集成电路ROM 7.1.5 ROM的读操作与时序图 7.1.6 ROM的应用举例
7.1 只读存储器
SRAM (Static RAM)：静态RAM
存储器
RAM
(Random-Access Memory)
0 01 0 1 1
011 1 0 1
1 00 1 0 0
A1 A0
111 1 1 0
•字线与位线的交点都是一个
Y0
A1
Y1
A0 Y2
2 线 -4 线
译码器 Y3
存储单元。交点处有二极管
相当存1，无二极管相当存0 O E
当OE=1时输出为高阻状态
+5V
R
R
R
R
D3 D2 D1 D0
7.1.2 两维译码 字线
A16 ~ A0 VPP
D7 ~ D0
Ai
X 数据输出
X
X
高阻
Ai
X
高阻
Ai
VPP 数据输入
Ai
VPP 数据输出
7.1.5 ROM的读操作与时序图
A16 ~A0 CE OE
D7 ~D0
读出单元的地址有效
tCE tOE
tOZ
tAA
tOH
数据输出有效
（1）欲读取单元的地址加到存储器的地址输入端；
（2）加入有效的片选信号 CE
字线
位 线 熔 断 丝
7.1.4 集成电路ROM
VCC GND
VPP
A 16 ～ A0
OE CE PGM
AT27C010，
X 译码 Y 译码 控制逻辑
存储阵列
Y 选通 输出缓冲器
D7 ～D0
128K´8位ROM
工作模式 读
输出无效 等待
快速编程 编程校验
CE OE
0
0
X
1
1
X
0
1
0
0
PGM
X X X 0 1