第9章 半导体储蓄器
半导体存储器结构及版图(ROM)
半导体存储器结构及版图(ROM)
本篇主要涉及有关半导体存储器的存取方式及相应版图结构分析。
首先我们来看看一个最基本的ROM存储器的结构及其工作方式。
假设2根地址线，4根数据位，即A[1:0],D[3:0]。
A0,A1可以最多产生2^n种变化，这里的n为2即可产生4种组合记为W[3:0](如图)。
表格中列出了不同的地址信号产生的不同选择，比如A0=0，A1=0时，只有W3 =1，其余均为0。
也就是说，如果定义1 (高电平)选中那么A0A1=00时，W3被选中。
如上图所示，输出的数据即为D0=1,D1=1,D2=0,D3=0。
换句话说A0=0，A1=0就必然选中W3，所以完全可以用两个开关MOS来代替，如下图所示：
通常采用NMOS，就将开关MOS替换成NMOS接地，A0-A0反反接，A1-A1反反接即是。
不过实际的ROM电路并不是直接连获取得电位，而是ROM 的核心部分都是NMOS，BL线MOS源漏相连接地，WL控制gate以低电位选通(NMOS电位gate平时都是高电位，只有为低电位时才会阻断到地)。
考虑到R OM的扩展性，还会有片选SEL端控制一个区域是否选中。
把电路画成版图就会有一些形式上的变化，除了考虑到结构的规整，也会考虑到是否因为过于庞大造成寄生的增加，影响到读取的速度，因此也就出现如图所示的结构分布。
半导体存储器分类的介绍
半导体存储器分类介绍§ 1. 1 微纳电子技术的发展与现状§1.1.1 微电子技术的发展与现状上个世纪50年代晶体管的发明正式揭开了电子时代的序幕。
此后为了提高电子元器件的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高。
1962年，由金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）组装成的集成电路（IC）成为微电子技术发展的核心。
自从集成电路被发明以来[1,2]，集成电路芯片的发展规律基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon Moore在1965年预言的摩尔定律[3]：半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。
按照这一规律集成电路从最初的小规模、中规模到发展到后来的大规模、超大规模（VLSI），再到现在的甚大规模集成电路（ULSI）的发展阶段。
随着集成电路制造业的快速发展，新的工艺技术不断涌现，例如超微细线条光刻技术与多层布线技术等等，这些新的技术被迅速推广和应用，使器件的特征尺寸不断的减小。
其特征尺寸从最初的0.5微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米、0.13 微米、90 纳米、65 纳米一直缩短到目前最新的32纳米，甚至是亚30纳米。
器件特征尺寸的急剧缩小极大地提升了集成度，同时又使运算速度和可靠性大大提高，价格大幅下降。
随着微电子技术的高速发展，人们还沉浸在胜利的喜悦之中的时候，新的挑战已经悄然到来。
微电子器件等比例缩小的趋势还能维持多久？摩尔定律还能支配集成电路制造业多久？进入亚微米领域后，器件性能又会有哪些变化？这一系列的问题使人们不得不去认真思考。
20世纪末期，一门新兴的学科应运而生并很快得到应用，这就是纳电子技术。
§1.1.2 纳电子技术的应用与前景2010年底，一篇报道英特尔和美光联合研发成果的文章《近距离接触25nm NAND闪存制造技术》[4]，让人们清楚意识到经过近十年全球范围内的纳米科技热潮，纳电子技术已逐渐走向成熟。
第9章存储器与可编程逻辑器件
9.1 只读存储器
存储器的分类
RAM：在工作时既能从中读出（取出）信息，又能随 时写入（存入）信息，但断电后所存信息消失。
ROM：在工作时只能从中读出信息，不能写入信息， 且断电后其所存信息在仍能保持。
ROM的分类
掩膜ROM：不能改写。
PROM：只能改写一次。
EPROM：可以改写多次。
3
9.1.1 ROM的结构
第9章 存储器与可编程逻辑器件
主要内容：
9.1 只读存储器 9.2 随机存取存储器 9.3 可编程逻辑器件
1
目的和要求：
1、掌握只读存储器的原理和分析； 2、重点掌握ROM的原理和应用； 3、掌握随机存储存储器的原理和应用； 4、重点掌握RAM原理及其应用； 5、掌握可编程逻辑器件原理及其应用； 6、重点掌握PLD器的原理和应用。
输
出
Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 00000000
00000001
00000100
00001001
00010000 00011001
00100101 00110001
01000000
01010001
01100100
01111001 10010000
10101001
11000100
11100001
可组态
26
9.3.3 PLD应用
1、用PROM实现组合逻辑函数
例 用PROM实现下列一组函数
Y1 AB AB ABCD ABCD Y2 ABBC AC Y3 ABD ACD AC AD Y4 ABC ABC ABC ABC
27
真 值 表
ABCD 00 00 00 01 00 10 00 11 010 0 010 1 011 0 011 1 10 00 10 01 10 10 10 11 110 0 110 1 111 0 111 1
半导体存储器和可编程逻辑器件
I/O端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，并被存入到 所选中的存储单元，存储器执行写操作。 7. RAM的工作时序 为保证存储器准确无误地工作，加到存储器上的地址、数据 和控制信号必须遵守几个时间边界条件。
在写入数据前，浮栅是不带电的，要使浮栅带负电荷，必须 在SIMOS管的漏、栅极加上足够高的电压(如25 V)，使漏极 及衬底之间的PN结反向击穿，产生大量的高能电子。这些电 子穿过很薄的氧化绝缘层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负 电荷。当移去外加电压后，浮栅上的电子没有放电回路，能 够长期保存。
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9. 2 随机存取存储器(RAM)
当选片信号CS=1时，G5、G4输出为0,三态门G1、G2、G3均 处于高阻状态，输入/输出(I/0)端与存储器内部完全隔离，存 储器禁止读/写操作，即不工作。
当CS = 0时，芯片被选通； 当 R /W 1 时，G5输出高电平，G3被打开，于是被选中的单
二、实现任意组合逻辑函数 从ROM的逻辑结构示意图可知，只读存储器的基本部分是与
门阵列和或门阵列，与门阵列实现对输入变量的泽码，产生 变量的全部最小项，或门阵列完成有关最小项的或运算，因 此从理沦上讲，利用ROM可以实现任何组合逻辑函数。
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9. 2 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。
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9. 2 随机存取存储器(RAM)
5.片选控制 由于受RAM的集成度限制，一台计算机的存储器系统往往是
第9章存储器与可编程逻辑器件[1]
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16 25
可 编 程
值 表
0110 00100101 0111 00110001 1000 01000000
36 49 64
逻
1001 01010001
81
辑
1010 01100100
100
器
1011 01111001
121
件
1100 10010000
144
1101 10101001
169
1110 11000100
第
9 章
第9章 存储器与可编程逻辑器件
存
储
器
与
主要内容：
可
编 程
9.1 只读存储器
逻
辑
9.2 随机存取存储器
器
件
9.3 可编程逻辑器件
第9章存储器与可编程逻辑器件[1]
第
9
章
目的和要求：
存 储
1、掌握只读存储器的原理和分析；
器
与
2、重点掌握ROM的原理和应用；
可
编
3、掌握随机存储存储器的原理和应用；
Y1
…
Y7
储 器 与
32 X0 根 X1 行
可
选 X2
编
择…
程
线
逻
X31
辑
器
每根行选择线选择一行
件
每根列选择线选择一个字列
1024个存储单元排成 32行×32列的矩阵
Y1＝1，X2＝1，位于X2和Y1交叉处的字单 元可以进行读出或写入操作，而其余任何
字单元都不会被选第9中章存。储器与可编程逻辑器件[1]
器
末接二极管的交叉点存0。存储单元是存1还是存0，完全
半导体存储器的原理
半导体存储器的原理半导体存储器是一种用于存储和检索数据的主要电子器件，常见的半导体存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
半导体存储器的原理是基于半导体材料的导电性能以及电荷在其中的存储能力。
半导体存储器通常由一组存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位（bit）的数据。
一个存储单元由一个晶体管和一个电容器构成，晶体管用于控制读或写操作，而电容器则用于存储数据。
在RAM中，存储单元使用晶体管和电容器的组合来存储数据。
每个存储单元有一个控制线（Word Line）和一个位线（Bit Line），通过激活控制线和位线的组合，可以选择和操纵特定的存储单元。
当我们想在RAM中写入数据时，首先要将相关的地址和数据信号传递给RAM芯片，芯片内的控制逻辑根据传递的信号确定要写入的存储单元，然后将数据写入对应的存储单元中。
当需要读取数据时，通过将地址信号传递给RAM芯片，芯片内的控制逻辑会找到对应的存储单元，并将该存储单元中的数据传递给输出引脚。
在ROM中，存储单元包含一个或多个可编程的开关，这些开关用于控制存储单元的导通状态。
在制造ROM芯片时，有选择性地烧写或编程存储单元的导通状态，使得这些开关可以表示不同的二进制位。
一旦存储单元的导通状态确定，它就无法再次改变。
因此，ROM存储的是固化的数据，不可修改。
半导体存储器之所以能够存储和检索数据，是因为半导体材料具有导电性和非易失性。
导电性是指材料在受到电场激励时能够通过电子传导产生电流，这是由于半导体材料中的载流子（电子和空穴）的存在。
非易失性是指数据在断电后仍然保持不变，这是由于存储单元中的电荷在断电后能够保持在电容器中。
通过合理的控制和设计，半导体存储器可以长时间保存数据而不需要持续提供电力。
半导体存储器具有许多优点，例如快速的读写速度、低功耗、体积小、可靠性高等。
这使得半导体存储器在计算机和电子设备中得到了广泛的应用。
例如，RAM 用于计算机的主存储器，可临时保存正在运行的程序和数据，而ROM用于存储系统的基本程序和指令，例如BIOS。
尼曼-半导体物理与器件第九章汇总
第九章 金属半导体和半导体异质结
13
高等半导体物理与器件
Jm
s
Js
m
Jm
s
Js m
Jm
s
Js m
EF
Ec
EF
Ec Ev
EF Ec
Ev
(a ) 热平衡
(b) 正向偏压
(c) 反向偏压
Ev
热电子发射过程的电流输运 正偏时，跨越势垒的静电势差降低，因此表面电子浓度增加； 而由金属流向半导体的电子流量维持不变。
（1）理想非整流接触势垒
• m<s，金属与n型半导体结欧姆接触
接 触 前
考虑表面态影响，无法 形成良好的欧姆接触
接热 触平 后衡
• m>s，金属与p型半导体结欧姆接触
接 触 前 接热 触平 后衡
第九章 金属半导体和半导体异质结
20
高等半导体物理与器件
（2）隧道效应
• 金属-半导体接触的空间电荷宽度与半导体掺杂浓度 2 V V 的平方根成反比。 W x
第九章 金属半导体和半导体异质结
eVF
xn
(b)
正
e (Vbi VR ) eVR
(c)
xn
反
5 图 6. 4 不同偏压情况下，金属与
高等半导体物理与器件
（2）理想结的特性
处理pn结相同方法来确定异质结静电特性
空间电荷区的电场用泊松方程表示为： dE x dx s 假设半导体均匀掺杂，则： eN d eN d x E dx C1
真空能级作为参考能级。
金属功函数m，半导体功函数s；e为费米能级和真空能级 之差。此处，m>s。
电子亲和能 χ。eχ是半导体导带底与真空能级的差值。 q m qVbi q (m s )
《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。
.
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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，
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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
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. 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 。
.
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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。