七半导体存储器PPT课件
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。
7半导体讲义存储器
7
列译码
单译码 双译码
A3A4A5
第6章：2.地址译码电路
对地址信号译码，有两种译码编址方法。 u 单译码方式
地址译码器只有一个，存储单元呈线性排列。 译码输出的字选择线直接选中与地址码对应的存储 单元。选择线数目较多，适用于小容量字结构存储 器。
u 双译码方式
地址译码器有两个。减少芯片内的地址译码 电路，但速度慢。选择线数目较少，适用于大容量 的存储器。
• 按制造工艺分
双极型存储器：速度快、集成度低、功耗大 MOS型存储器：速度慢、集成度高、功耗低
• 按信息存储方式分
随机存取存储器RAM：可读可写、断电丢失 只读存储器ROM：正常只读、断电不丢失
详细分类，请看图示
半导体 存储器
随机存取存储器 （RAM）
静态RAM（SRAM） 动态RAM（DRAM） 非易失RAM（NVRAM）
化干扰的能力。平均无故障间隔时间可达几千小时以上。 5、价格
第6章：6.2.1半导体存储器芯片的结构
① 存储体
u 存储器芯片的主要部分，用来存储信息
② 地址译码电路
u 根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存 储单元
③ 片选和读写控制逻辑
u 选中存储芯片，控制读写操作
第6章：①存储矩阵（存储体）
芯片的存储容量(N×M)
＝存储单元数×存储单元的位数＝2n×M
n：芯片的地址线根数 M：芯片的数据线根数
地址译码器
0
0 存储单元
1
A5
1
A2 行
A4 A3 A2 A1 A0
译 码 器
63
• 单译码结构A1 译
• 双译码结构A0
码 7
64个单元
半导体存储器.ppt
数字电子技术
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三. 可擦除的可编程ROM
EPROM E2PROM 总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同 EPROM （erasable programmable ROM）
叠栅注入MOS管（stacked-gate injection metal-oxidesemiconductor，SIMOS管）
！输入/输出引脚数目有限
输入/出 控制
数字电子技术
输 入
/
出
I/O
电
路
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二、分类
1、从存/取功能分： 掩模ROM
①只读存储器
可 编 程ROM 可 擦 除 的 可 编 程EPROM
(Read-Only-Memory）
②随机读/写
静 态RAM 动 态RAM
（Random-Access-Memory）
漏 源 间 形 成 导 电 沟 道 ，沟 道 内 电 子 获 得 动 能 ，
在
受
到G
上
c
所
加
正
电
压
的
电
场
吸引
下
，
部 分 电 子 穿 过SiO2到 达Gf , 形 成 注 入 电 荷
“ 擦 除 ” ： 紫 外 线 穿 过EPROM芯 片 上 的 石 英 窗 口
照 射 到 叠 栅 上 ， 使Gf 周 围 的 二 氧 化 硅 绝 缘 层产 生 少 量 的 空 穴 和 电 子 对 ，形 成 导 电 通 道 ， 从 而 使Gf 上 的电子回到衬底中。
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一．固定ROM（掩膜R容量为16×8的ROM
地
（1）存储矩阵：16个字排成矩阵 址
大学微机原理半导体存储器详解演示文稿
不可再次改写。
PROM基本存储电路
PROM的写入要由专用的电路（大
电流、高电压）和程序完成。
第17页，共36页。
第5章 半导体存储器
5.3.2 可擦除的PROM 一、EPROM（紫外线可擦除） 用户可以多次编程。用紫外线照射可全部擦除原有信息（擦除后内容 全为“1” ），便可再次改写。
一、RAM原理
构成
存储体（R-S触发器构成的存储矩阵） 外围电路 译码电路、缓冲器
I/O控制电路
0
0
地
1
1
数
址
存储
据
n位 译
矩阵
缓
地址 码 2n-1
m
冲
器
器
m位 数据
CS 控制 逻辑
R/W
存储芯片构成示意图
第6页，共36页。
第5章 半导体存储器
地址译码器：
接收来自CPU的n位地址，经译码后产生2n个地址选择信号，实现对片
3. 按存储器的功能来分类 ✓按存储器与CPU的关系分类
控制存储器CM 、主存储器MM 、高速缓冲存储器Cache 、
外存储器EM ；
✓按存储器的读写功能分类 读写存储器RWM 、只读存储器ROM；
✓按数据存储单元的寻址方式分类
随机存取存储器RAM 、顺序存取存储器SAM 、直接存取存储器DAM ；
内存储单元的选址。
控制逻辑电路：
接收片选信号CS及来自CPU的读/写控制信号，形成芯片内部控制信号， 控制数据的读出和写入。
数据缓冲器：
寄存来自CPU的写入数据或从存储体内读出的数据。
存储体：
存储体是存储芯片的主体，由基本存储元按照一定的排列规律构成。
第章半导体存储器课件
7.2 只读存储器 (ROM)
在正常工作时，存储器的数据只能读出，不能写入。
7.2.1 掩膜只读存储器 ——所存储的数据，
在制作过程中使用
存储矩阵
—— 许多存储单元排列构成，每个存储 单存放1位二值代码。
掩膜板固定。
每个或一组存储单元有一个地址码。
地址译码器
一、结构 —— 三部分组成 —— 将地址码译码，形成从存储矩阵中
1 D′3
▽
D3
1 D′2
▽
D2
1 D′1
▽
D1
0 D′0
▽
D0
地址
A1 A0
D00 0 01
10 11
数据
D3 D2 D1
010
101
10 1 0 01 1 1 0
EN
二极管ROM的电路结构图 第章半导体存储器
二、举例
VCC
第 7 章 半导体存储器
ROM中的数据表
地址
数
据
A1 A1
A1 A0
D3 D2 D1
同时在GC上加25V、50ms宽的正脉冲，吸引高速电子穿 过 SIO2 到达 Gf ，形成注入电荷。
擦除：通过照射产生电子-空穴对，提供泄放通道。
第章半导体存储器
第 7 章 半导体存储器
二、电可擦除的可编程ROM（E2 PROM）
浮栅隧道氧化层MOS管 ( FLOTOX )
E2 PROM的存储单元
①掩膜 ROM
1)只读存储器 （ROM）
②可编程 ROM （PROM）
③可擦除的可编程 ROM
1、按存/ 取功能分
（EPROM）
半导体 存储器 分类
① 静态随机存储器 2) 随机存储器 （SRAM）
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。
半导体存储器
第七章半导体存储器7.1 概述半导体存储器是一种能存储大量二值信息(或称为二值的数据)的半导体器件。
在电子计算机以及其他一些数字系统的工作过程中，都需要对大量的数据进行存储。
因此，存储器也就成了这些数字系统不可少的组成部分。
由于计算机处理的数据量越来越大，运算速度越来越快，这就要求存储器具有更大的容量和更快的存取速度。
通常都把存储量和存取速度作为评价存储器性能的重要指标。
目前动态存储器的容量已达到109位每片，一些高速随机存储器的存取时间为10ns左右。
因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大而器件的引脚数目有限，所以在电路结构上就不可能像寄存器那样把每个存储单元的输入和输出直接引出。
为了解决这个问题，在存储器中给每个存储单元编了一个地址，只有被输入地址代码指定的那些存储单元才能与公共的输入/输出引脚接通，进行数据的读出或写入。
半导体存储器的种类很多，从功能上可以分为只读存储器和随机存储器两大类。
只读存储器在正常工作状态上只能从中读取数据，不能快速地随时修改或重新写入数据。
ROM的优点是电路结构简单，而且在断电以后数据不会丢失，它的缺点是只适用于存储那些固定数据的场合。
只读存储器中又有掩模ROM、可编程ROM和可擦除的可编程ROM几种不同类型。
掩模ROM 中的数据在制作时已经确定，无法更改。
PROM中的数据可以由用户根据自己的需要写入，但一经写入以后就不能再修改了。
EPROM里的数据则不但可以由用户根据自己的需要写入，而且还能擦除重写，所以具有更大的使用灵活性。
随机存储器与只读存储器的根本区别在于，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和动态存储器。
由于动态存储器存储单元的结构非常简单，所以它能达到的集成度远高于静态存储器。
但是动态存储器的存取速度不如静态存储器快。
7.2 只读存储器(ROM)7.2.1掩模只读存储器ROM根据用户要求专门设计的掩模板把数据：“固化”在ROM中电路结构ROM的电路结构框图地址译码器：将输出的地址代码翻译成相应的控制信号，把指定单元选出，其数据送输出缓冲器输出缓冲器❖提高存储器带负载的能力❖实现输出状态三态控制，与系统总线连接地址译码器存储矩阵输出缓冲器WW1W2－1nAA1An－1三态控制信息单元(字)存储单元……………存储矩阵是存放信息的主体，它由许多存储单元排列组成。
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（三）快闪存储器(Flash Memory） 采用新型隧道氧化 层MOS管。 •该管特点：
10
这是一种双译码方式， 行地址译码器和列地 址译码器共同选中一 个单元。每个字只有
一位。
（二）电可擦除 EPROM(EEPROM或E2ROM)
用紫外线擦除操作复杂， 速度很慢。必须寻找新的存 储器件，使得可以用电信号 进行擦除。
使用浮栅隧道氧化层MOS 管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)
是最早出现的EPROM。通常说的 EPROM就是指这种。
1.使用浮栅雪崩注入MOS管 （Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，简称FAMOS管。）
写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较 高电压后（如-20V），漏极PN结雪崩击穿， 部分高速电子积累在浮栅上，使MOS管导通。
编程 时VCC 和字
线电
压提
高
7
16字×8位的PROM
十
六
条
读出时，读出
字
放大器AR工作，写
线
入放大器AW不工作。
八
写入时，在位
条
线输入编程脉冲使
位
写入放大器工作，
线
且输出低电平，同
时相应的字线和VCC 提高到编程电平，
将对应的熔丝烧断。
20V
编程脉冲
缺点：不能重复擦除。 十几微秒
8
三、可擦除的可编程只读存储器 （EPROM） （一）紫外线擦除的只读存储器 （UVEPROM）
浮栅上电荷可长期保存－－在125℃环 境温度下，70%的电荷能保存10年以上。
擦除：用紫外线或X射线擦除。需20~30分钟。 存储单元如图。 缺点：需要两个MOS管；编程电压偏高；P沟道管的开关速9 度低。
2.使用叠栅注入MOS管SIMOS (Stacked-gate Injuction MOS)
快闪存储器
还可以按制造工艺 分为双极型和MOS
主要指标：存储容量、存取速度。 型两种。
存储容量:用字数×位数表示，也可只用位数表示。如，某
动态存储器的容量为109位/片。
4
存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器 的存取时间仅有10ns左右。 第二节 只读存储器ROM 一、掩模只读存储器
1
预备知识
位：计算机只认识由0或1组成的二进制数，二进制数中的每 个0或1就是信息的最小单位，称为“位”（bit），也称为二进制 的位或称字位
字：在计算机中，作为一个整体单元进行存取和处理的一组二 进制数，每位计算机字的二进制数的位数是固定的。
字节：把一个8位的二进制数据单元称为一个字节，通常用字 母B表示。
又称为固定ROM。工厂 按用户要求生产出来后， 用户不能改动。
1.ROM的构成
存储矩阵：由若干存储 单元排列成矩阵形式。
储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。
地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对 应的单元，把数据送往输出缓冲器。
输出缓冲器：增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和 系统的总线相连。
用途：在计算机或数字系统中存储数据。
与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包含若干位。各个字 的相同位通过同一引脚与外界联系。每个字分配一个地址，因此内 部有地址译码器。
3
分类：
掩模ROM
紫外线擦除
只读存储器 ROM
可编程ROM（PROM）
(Programmable
(Read- Only ROM)
Memory) 按 功 只能读出不能
11
特点：浮栅与漏区间的氧
GC
化物层极薄（20纳米以下）， 称为隧道区。当隧道区电场大
Gf
于107V/cm时隧道区双向导通。
漏极
当隧道区的等效电容极
小时，加在控制栅和漏极间
的电压大部分降在隧道区，
有利于隧道区导通。 存储单元：
擦除和写入均利 用隧道效应
读出
10ms
擦除（写1）
写入（写0）
12
EEPROM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单 元需两只MOS管。
可擦除可编程ROM （EPROM）
能 写入,断电不失 (Erasable PROM)
随机存储器 RAM
电可擦除
UVEPROM
(Ultra-Violet)
EEPROM (Electrically)
Flash Memory
(Random Access Memory)
静态存储器SRAM
(Static RAM) 动态存储器DRAM (Dynamic RAM)
5
2.工作原理 按组合电路进行分析。 存储矩阵是四个二极管或门；
当EN=0时，Di Di 。
D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0 D2= W1= A1+A0
D1= D3 = A0 D0 = W1+ W0 = A1
真值表：
真值表与存 储单元有一 一对应关系
二－四线 译码器
A1,A0的 四个最小 项
字长：一个字中包含二进制数位数的多少称为字长，字长是标 志计算机精度的一项技术指标。
KB即为K字节 1K=210 =1024 B MB即为M字节 1M=220 =1024 K GB即为G字节 1G=230 =1024 M
2
第一节 概述
第七章 半导体存储器
存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导 体器件。
A1 0 0 1 1
A0 0 1 01 0 1 1
D1 0 1 0 1 D0 1 1 0 0
字线
位线
6
用MOS工艺制 造的ROM的存储 矩阵如图： 二、可编程只读存 储器PROM
产品出厂
时存的全是1， 用户可一次性
写入，即把某 些1改为0。但
或非门
不能多次擦除。
存储单元多采用熔丝－－低熔 点金属或多晶硅。写入时设法在 熔丝上通入较大的电流将熔丝烧 断。
第七章 半导体存储器
本章的重点：
1．存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特 点；
2．扩展存储器容量的方法； 3．用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。
因为存储器几乎都作成LSI器件，所以这一章的重点内容 是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程 的重点。
本章的难点：
在本章的重点内容中基本没有难点。
构造： 用N沟道管；增加控制栅。
SIMOS管原来可导通， 开启电压约为2V。
注入电荷：在DS间加高电压，同时在控制栅加25V、 50mS宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压 相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导通。
存储单元如下页图。256字X1位。已注入电荷的
SIMOS管存入的是1。