第七章半导体存储器
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。
清华数字电路第七章 半导体存储器PPT课件
16.08.2020
数电
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)。
**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)。
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）。
*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。
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，也介绍了存储器扩展容量的连接方法以及用存 储器设计组合逻辑电路，重点放在这里。
1. ROM的组成：
ROM电
路结构包含存
储矩阵、地址
译码器和输出
缓冲器三个部
分，其框图如
图7.2.1所示。
16.08.2020
数电
图7.2.1
7.2.1 掩模只读存储器
a.存储矩阵
存储矩阵是由许多存储单元排列而成。存储单元 可以是二极管、双极型三极管或MOS管，每个单元能 存放1位二值代码（0或1)，而每一个或一组存储单元有 一个相应的地址代码。
第七章半导体存储器(精)
第七章7.1概述半导体存储器2存储器的存储媒介有多种，应用范围也非常广泛。
软磁盘磁带硬盘光盘内存条优盘数码相机用SM卡半导体存储器：址用半別本器件跌朴備以』二忻信出吐称-艄址据）的人规榄块城电舞.特点*集诫丿恥缸伟积小.⑷靠性扁、仰幡他、外I和也辟耐甲H域円卸」、便仃1动化批附卜:产”应用：半与体打Gk搭匸腔用ri卞fv机Ml数了乐统中* f「敏用jf乩灼据、養料译.祥檔器耳数字離统不可缺少的组成部分”评价frffls性能的SSffi标：存储踽轴怎瞰理Kt7.1桶适概述第半导体存借<①只读存tt»(R<)M)正常工作时•只腌从小读取》据・不能快速地随时修改诚入》粥・优点r 电路结枸简m.断电后救据不公丢失.铁点：只适用于％«崗定的数据•1)M«kOM：敷掘衽制作时己経确定.无法更改・2)可ttSROM (PROMt Programmable)«据可以由用户«据需要頁入.但一经写入就不能再修改.3)可*除的可《稈(EHROM. Erasable)««不但可以由用户««需要耳入.而ft还他採除重耳.便用灵活・«外tt可掠除U\ EPROM, lllnivinki).写入的tt据可用*外tt*Nh用户可以多次改耳存的ft据・电可*除尸PRCM (Electrically):* -代K2PROM!快(HBibMenonJ*七章*导体存储》M «述②ffi机存ttS (RAM)iF常工件状巻卜••町以前时向仔飾崙电吗入数押或从中读lllttftG斷电后信息丢失・尸1)静态角机(SRAM. Static)容*小，存取理度比动歩存快.12)动窈|$机存収8 (DRAM. Dyn—ic )笳构简单・集成度远高于SRA5L需定期刷新•\7.2只读存储器（ROM〉.kr 汁暗怦！Li, H I RuM< m*」* (Pd訂叭昇Progr^mmabk)•汕J；忙:的「:；竭种<£}*阳（》%1一Erasable），腿艸纯眄理障（I \ FPRO\t. I I屮Mt( Electrteaily):if—f弋iTFltOM；佚囚疗储itt 1( Hiiili Mtmon )\第七章7.2只读存储器（ROM）半导体存储器10 721掩模只读存储器（Mask ROM）根据用户要求而专门设计掩模板，把数据固化”在ROM中。
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。
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
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。
第七章讲义半导体存储器
2、单管动态存储单元
T CS
Xi 位线
CW
信息存于CS中，T为门控管。
Xi ＝1：T导通，将信息从存
储单元送至位线上或者将位 线上的信息写入到存储单元。
由 于 杂 散 电 容 CW>>CS ， 当读出时，需经读出放大 器对输出信号放大。
每次读出后，必须 及时对读出单元刷新。
二．静态RAM
1．静态RAM的内部结构
8条数据线，每 字长度为8位
NC
1
28
VDD
A12
2
A7
3
A6
4
27
WR
26
CS2
25
A8
A5
5
24
A9
A4 A3
6 7
HM
23 22
A11 OE
A2
8 6264 21
A10
A1
9
20
CS1
A0
10
19
I/O7
I/O0
11
I/O1
12
18
I/O6
17
I/O5
I/O2
13
16
I/O4
GND
14
15
I/O3
UPP 、 CE /PGM 、 OE
CE/PGM OE
读
0
0
读禁止
×
1
维持（备用） 1
×
编程（写入） 50ms脉冲 1
编程校验
0
0
编程禁止
0
1
A7
1
A6
2
A5
3
A4
4
A3
5
A2
6
A1
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
第一节 概述（或称为二值数据）的半导 体器件。
A1 0 0 1 1
A0 0 1 0 1
D3 0 1 0 1
D2 1 0 1 1
D1 0 1 0 1
位线
D0 1 1 0 0
字线
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。
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 度低。
2.使用叠栅注入MOS管SIMOS (Stacked-gate Injuction MOS)
构造： 用N沟道管；增加控制栅。
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。
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
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）
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。
快闪存储器就是针对 此缺点研制的。
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。
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
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。
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
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。
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)
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)
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
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。
编程 时VCC 和字
线电
压提 高
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
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）
（三）快闪存储器(Flash Memory） 采用新型隧道氧化 层MOS管。 •该管特点：
1.隧道层在源区；
2.隧道层更薄－－10～15nm。在控制栅和源极间加12V电 压即可使隧道导通。
•存储单元的工作原理：
1.写入利用雪崩注入法。源极接地； 漏极接6V；控制栅12V脉冲，宽10
s。
2.擦除用隧道效应。控制栅接地； 源极接12V脉冲，宽为100ms。 因为片内所有叠栅管的源极都连 在一起，所以一个脉冲就可擦除 全部单元。
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。
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