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第八章 半导体存储器

数字电路与 系统设计. 第八章 半导体存储器. 第八章 半导体存储器. 8.1 概述 8.2 只读存储器 8.3 随机存储器 8.4 顺序存储器 8.5 本章小结. 8.1 概述. 以二进制形式保存系统工作所需的程序和数据（通称为信息）。. 1 ． 半导体存储器的分类. 根据制造工艺的不同，分为双极型和 MOS 型； 根据读 / 写功能的不同，分为只读存储器（ ROM ）、 随机存储器（ RAM ）和顺序存储器（ SAM ）； 根据数据输入 / 输出方式的不同，分为串行存储器和并行存储器。. 2 ． 半导体存储器的主要技术指标.

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第八章 半导体存储器

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  1. 数字电路与 系统设计 第八章 半导体存储器 自动化学院应用电子教学中心

  2. 第八章 半导体存储器 8.1 概述 8.2 只读存储器 8.3 随机存储器 8.4 顺序存储器 8.5 本章小结 自动化学院应用电子教学中心

  3. 8.1 概述 以二进制形式保存系统工作所需的程序和数据（通称为信息）。 1．半导体存储器的分类 • 根据制造工艺的不同，分为双极型和MOS型； • 根据读/写功能的不同，分为只读存储器（ROM）、 随机存储器（RAM）和顺序存储器（SAM）； • 根据数据输入/输出方式的不同，分为串行存储器和并行存储器。 自动化学院应用电子教学中心

  4. 2．半导体存储器的主要技术指标 • 存储容量：常用MB（兆字节）、GB（千兆字节）、TB（兆兆字节）等表示 ； • 读/写速度：几十ns～几百ns不等； • 可靠性：用MTTF来衡量； • 功耗 自动化学院应用电子教学中心

  5. 8.2 只读存储器 8.2.1只读存储器的基本结构和工作原理 8.2.2掩模只读存储器 8.2.3可编程只读存储器 8.2.4可擦除的可编程只读存储器 8.2.5用只读存储器实现组合逻辑函数 自动化学院应用电子教学中心

  6. 8.2.1 只读存储器的基本结构和工作原理 图8.2.1 ROM总体结构框图 存储矩阵：保存二进制信息，按矩阵形式排列； 地址译码器：用于选定存储单元； 输出缓冲器：对存储矩阵的数据缓冲输出。 自动化学院应用电子教学中心

  7. 图8.2.2 256×4位存储矩阵 每4列存储单元连接到一个共同的列地址译码线上 。 字：每次同时进行读/写操作的存储单元数，称为字。 字长：一个字中所含的二进制数据的位数，称为字长。 地址：每个字赋予的编号，称为地址。 自动化学院应用电子教学中心

  8. 8.2.2掩模只读存储器 存储矩阵为4×4位，采用单地址译码方式，输出缓冲器由四个三态反相器构成。 无论W0～W3中哪根线上出现高电平信号，存储矩阵中与高电平字线相连的MOS管导通，位线出现低电平，其它情况位线均位高电平。 自动化学院应用电子教学中心

  9. 地址线8条，采用双译码方式，存储容量为28＝256字；地址线8条，采用双译码方式，存储容量为28＝256字； 数据线4条，即字长为4； 控制线为 ，当它为低电平时，ROM的输出缓冲端打开，数据输出。 图8.2.4 256×4位ROM的逻辑结构框图和逻辑符号图 (a)逻辑结构框图 (b)逻辑符号图 自动化学院应用电子教学中心

  10. 8.2.3可编程只读存储器 PROM是一种使用者可进行一次编程的ROM。 • PROM由存储单元中的熔丝是否熔断决定该存储单元所存信息是0还是1，熔丝未断，表示存储信息1，熔丝烧断表示存储信息0。 • 存储单元中的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此PROM只能写入一次。 • 熔丝的通断状态与是否通电无关，因为正常工作电压远低于编程电压。 图8.2.5 PROM的基本存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  11. 8.2.4可擦除的可编程只读存储器 根据擦除手段和条件的不同，EPROM又可分为UVEPROM、E2PROM和Flash三种，其中UVEPROM常简称为EPROM。 EPROM的总体结构与PROM的总体结构基本相同，只是采用了不同工作原理的MOS管作为存储单元，EPROM采用了浮栅雪崩注入MOS管（FAMOS管）和叠栅注入MOS管（SIMOS管）、E2PROM采用了浮栅隧道氧化层MOS管（Flotox管）、Flash采用了闪烁叠栅MOS管，它们的最大区别就在于漏源极之间导电沟道的形成条件不同。 自动化学院应用电子教学中心

  12. 图8.2.6 FAMOS管结构图和符号 图8.2.7 SIMOS管结构图和符号 SIMOS管是一个N沟道增强型MOS管，有两个重叠的栅极——控制栅Ge和浮置栅Gf 。 FAMOS管是一个栅极“浮置”于SiO2层内的P沟道增强型MOS管 。 自动化学院应用电子教学中心

  13. 图8.2.12 闪烁存储器中叠栅 MOS管的结构图和符号 图8.2.9 Flotox管结构图和符号 闪烁存储器由闪烁叠栅MOS管构成，结构与SIMOS管相似，区别在于浮置栅与衬底间氧化层的厚度不同，EPROM中的氧化层厚度一般为30～40nm，而在闪烁存储器中仅为10～15nm。功耗低、擦写便捷。 Flotox管与SIMOS管相似，也是N沟道增强型MOS管 ，具有隧道效应。 自动化学院应用电子教学中心

  14. 实际应用中，典型的EPROM芯片有Intel存储器的27系列，如2708、2716、2764等。其中2716芯片是2K×8位的EPROM芯片，它的电路结构与ROM相似，只是存储单元采用的MOS管不同。其中，地址信号为A10～A0，选片信号为 ，I/O7～I/O0为数据输入/输出端，PD/PGM为待机/编程信号，是双功能控制信号，读操作时， ，若PD/PGM＝1，芯片处于待机方式；当 时，芯片处于编程方式，在PD/PGM端加上52ms的正脉冲，就可以将数据线上的信息写入指定的地址单元。 图8.2.8 Intel 2716的逻辑符号图 自动化学院应用电子教学中心

  15. 实际应用中，典型的E2PROM芯片有Intel存储器的28系列，如2816、2816A、2817、2764等。其中2816芯片是2K×8位的E2PROM芯片，其逻辑符号如图8.2.11所示。其中，地址信号为A10～A0，选片信号为 ，I/O7～I/O0为数据输入/输出端， 为写允许信号， 为输出允许信号。 图8.2.11 Intel 2816的逻辑符号图 自动化学院应用电子教学中心

  16. 8.2.5用只读存储器实现组合逻辑函数 表8.2.1就是一张2输入4输出逻辑函数的真值表 ，数据输出中字的每一位都是各地址最小项值的或，该存储器的存储容量为4×4＝16。 对于具有n个输入变量和m个输出变量的组合逻辑函数，实现该组合逻辑函数所需要的最小存储器的容量为2n×m位。 自动化学院应用电子教学中心

  17. 例8.2.1试用ROM来同时实现下列函数： （1） （2） （3） （4） 解：（1） 写出各函数的标准与或表达式，按A、B、C、D顺序排列变量，将Y1、Y2扩展成为四变量逻辑函数。则最小项表达式为： 自动化学院应用电子教学中心

  18. （2）选用4位地址输入和4位数据输出的16×4位ROM，画存储矩阵连线图。（2）选用4位地址输入和4位数据输出的16×4位ROM，画存储矩阵连线图。 图中在矩阵交叉点上画黑点表示接有存储器件，接入存储器件表示存1，不接存储器件表示存0。 自动化学院应用电子教学中心

  19. 8.3随机存储器 8.3.1随机存储器的基本结构和工作原理 8.3.2静态随机存储器 8.3.3动态随机存储器 8.3.4RAM容量的扩展 自动化学院应用电子教学中心

  20. 8.3.1 随机存储器的基本结构和工作原理 片选控制 输入/输出缓冲 读/写控制 图8.3.1 RAM的基本结构图 基本结构与ROM相同，仅读/写控制电路不同。 自动化学院应用电子教学中心

  21. （1）当片选信号 时，G4、G5输出为0，三态门G1、G2、G3输出均处于高阻状态，I/O端与存储器内部完全隔离，存储器禁止读/写操作，即存储器芯片处于不工作状态。 图8.3.2 典型的读/写控制电路 自动化学院应用电子教学中心

  22. （2） 时，芯片选通； ，则G5输出高电平，G3打开，G1、G2仍处于高阻状态，被选中单元的数据D经G3出现在I/O端，存储器执行读操作； ，则G4输出高电平，G1、G2打开，此时加在I/O端的数据以互补的形式出现在内部数据线上，进而被存入到所选中的存储单元，存储器执行写操作。 图8.3.2 典型的读/写控制电路 自动化学院应用电子教学中心

  23. 8.3.2静态随机存储器 根据存储单元结构和存储信息工作原理的不同 ，RAM可分为SRAM和DRAM。 SRAM以双稳态基本RS触发器作为存储单元，依靠触发器的静态自保持特性存储数据，在不掉电情况下，信息可长时间保存； SRAM的基本存储单元是在双稳态基本RS触发器（也称为静态触发器）基础上附加控制线或控制管形成的静态存储单元，由于基本RS触发器电路具有状态自动保持功能，只要不掉电，触发器的状态能够一直保持，SRAM所保存的信息也就不会丢失。 自动化学院应用电子教学中心

  24. 1．SRAM的基本存储单元电路 T1~T4构成MOS型双稳态基本RS触发器。Q=1, 表示存储信息1。 当列选线Y为高电平时，T7、T8管通，位线与外部数据线接通，表示可以对该存储单元进行读/写操作，当Y=0时，位线与外部数据线断开，不能对存储单元进行操作。 图8.3.3 六管CMOS静态存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  25. 对某一存储单元进行读/写操作时，该存储单元所在的行的字线X与列选线Y均为高电平，T5~T8管均导通，Q、B和D接通， 、 和 接通。数据通过读/写控制电路实现读/写功能。 2．SRAM芯片的组成 图8.3.4 4K×1位 的双译码SRAM 自动化学院应用电子教学中心

  26. (a) (b) 图8.3.5 1K×8位RAM的逻辑结构框图和逻辑符号图 (a) 逻辑结构框图 (b) 逻辑符号图 自动化学院应用电子教学中心

  27. 实际应用中，典型的SRAM芯片有Intel的2114、6116、6264等。其中2114芯片的容量是1K×4位，基本存储单元是六管存储单元电路，其逻辑符号如图8.3.6所示。其中，地址信号为A9～A0，采用行列译码方式，低六位地址用于行译码，高四位地址用于列译码，片选信号为 ，I/O3～I/O0为数据输入/输出端， 为写允许信号，当 时，数据可由I/O口写入被选中的存储单元； 时，数据可从所选中的存储单元读出到I/O。 图8.3.6 Intel 2114的逻辑符号图 自动化学院应用电子教学中心

  28. 3．RAM的工作时序 图8.3.7 RAM读操作时序图 图8.3.8 RAM写操作时序图 大多数静态随机存储器的读周期和写周期是相等的，一般为十几到几十纳秒。 自动化学院应用电子教学中心

  29. 8.3.3动态随机存储器 DRAM利用MOS管栅极寄生电容的电荷存储效应来存储数据，由于漏电流的存在，加上本身电容量很小，栅极寄生电容的电荷流失会造成保存数据的丢失，因此需要有刷新电路及时给电容补充电荷。 SRAM的基本存储单元是RS触发器，其状态在不掉电情况下能够自行保持，但每个存储单元需6个MOS管，限制了SRAM芯片的集成度。DRAM与SRAM相比，其存储单元结构得到了简化。 在DRAM发展的早期，基本存储单元主要采用4MOS管、3MOS管电路，虽然有所简化，但仍然比较复杂，不利于集成度的提高，目前，DRAM多采用单MOS管电路设计基本存储单元电路。不过，4MOS管、3MOS管电路具有外围控制电路简单，读出信号比较大等优点。 自动化学院应用电子教学中心

  30. T1和T2是两只N沟道增强型的MOS管，栅极和漏极交叉相连。它们的栅极电容（C1和C2，虚线表示不是真的电容）上存储的电荷数决定存储单元的存储状态，C1和C2上的电压又反过来控制着T1和T2的导通或截止，T3和T4是存储单元字线的门控管，控制Q和 端的高、低电平是否传递到位线B和 上。 没有双稳态触发器的自保持功能，加上电容的漏电，端输出的高电平不能保证端输出稳定的低电平，因此DRAM无法保持信息。 图8.3.9 4MOS管动态存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  31. 电路工作时，C1被充电，使C1上的电压大于T1的开启电压，同时C2没有被充电，则T1导通、T2截止，把uC1=1、 uC2=0时的状态称为存储单元的0状态。反之，T1截止、T2导通的状态称作存储单元的1状态。 在预充脉冲有效的时间内，将位线上的分布电容 CB和 充至高电平状态，预充脉冲消失后，位线上的高电平能在短时间内由分布电容CB和 维持。 ⑴ 预充电 图8.3.9 4MOS管动态存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  32. ⑵ 读出 读出时，X和Y同时为高电平，门控管T3、T4、T7、T8均导通。 预充电是能够将栅电容中存储的状态可靠传递到位线的保障 。读出过程就是将存储单元的状态读到位线上，再将位线上的状态通过导通的T7和T8管子传送到数据输出端D和 ，直到I/O，完成读出操作 。 图8.3.9 4MOS管动态存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  33. 当X、Y同时为高电平时，门控管T3、T4、T7、T8均导通，输入数据通过读/写控制电路加到D和 端，通过T7和T8传到位线B和 上，再经过T3和T4管将数据写入到C1和C2上。 ⑶ 写入 图8.3.9 4MOS管动态存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  34. ⑷ 刷新 在对一块DRAM芯片进行刷新的操作过程是：先将所有的Y线置0，然后使第1行的X线为1，其它为0，对该行的所有单元进行一次读/写，刷新一次，接下来使第2行的X线为1，其它为0，刷新第2行，直到最后一行，再重复上述过程。通常，栅极电容电荷的自然保持时间一般在2ms以上，所以存储器各行全部刷新一次的时间要小于2ms。 图8.3.9 4MOS管动态存储单元 在DRAM的使用过程中，必须及时地向保存1的那些存储单元补充电荷，以维持信息的存在。 自动化学院应用电子教学中心

  35. 图8.3.10 3MOS管动态存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  36. 由一只MOS管T和一个与其源极相连的电容C组成，利用电容C存储电荷的原理来记忆信息1和0（此处电容为实际器件，故用实线画图），电容C上充满电荷表示存储的二进制信息为l，无电荷时表示0。 图8.3.11 单MOS管动态存储单元 自动化学院应用电子教学中心

  37. 实际应用中，典型的DRAM芯片有Intel的2116、2164A等。其中2116芯片的容量是16K×1位，其逻辑符号如图8.3.12所示。其中，地址信号为A6～A0；DIN和DOUT为输入、输出数据线； 为读/写控制信号， 时可写入， 时可读出； 为行地址选通信号； 为列地址选通信号。 采用地址线分时复用技术。 有效时输入地址作为行地址， 有效时输入地址作为列地址， 和 不能同时有效。 图8.3.12 2116的符号图 自动化学院应用电子教学中心

  38. 8.3.4 RAM容量的扩展 将多个RAM组合起来以形成一个更大容量的存储器。 1．位扩展方式 一片RAM的字数已经够用，而每个字的位数不够时，可采用位扩展的方式将多片RAM进行连接，在字数不变的情况下，增加RAM的位数。 图8.3.13 1K×1位RAM扩展成1K×8位RAM 自动化学院应用电子教学中心

  39. 2．字扩展方式 一片RAM的数据位数够用而字数不够时，可采用字扩展的方式连接多片RAM，在数据位数不变的情况下，增加RAM的字数。 图8.3.14 1K×8位RAM扩展成8K×8位RAM 自动化学院应用电子教学中心

  40. 8.4顺序存储器 8.4.1 顺序存储器的结构和工作原理 8.4.2动态移存器和FIFO型顺序存储器 自动化学院应用电子教学中心

  41. 8.4.1 顺序存储器的结构和工作原理 I/O端是数据端， 为读/写控制信号输入端， 为顺序存储器工作方式控制端，DI是移位寄存器的数据输入端，Q0、Qn是移位寄存器各级触发器的输出端，是移位寄存器数据移动方向控制信号输入端，其中， 动态移存器是由动态移存单元构成的移位寄存器。 图8.4.1 顺序存储器的基本结构 自动化学院应用电子教学中心

  42. SAM存储的数据位数越多，即动态移存器的位数越多，则最大的读、写时间也越长。 在顺序存储器中，由于存储体采用类似移位寄存器的动态移存器结构，可以利用动态移存器中的数据移位来实现数据的刷新，使存储器中的数据不停地移动，同时将移出输出端的数据移回到数据输入端，形成一个循环，这样，就可以省去复杂的外围控制电路，充分发挥动态MOS存储单元电路结构简单的优点，制成高集成度的顺序存储器。 自动化学院应用电子教学中心

  43. 8.4.2动态移存器和FIFO型顺序存储器 1．动态移存器 只能在移位脉冲的推动下，也就是在动态中运用，故称它为动态移存器。动态移存器由动态CMOS反相器串接而成。 图8.4.3 动态CMOS移存单元 在栅电容上充入电荷后，电荷经输入电阻（传输门的截止电阻）的自然泄漏比较缓慢，至少可以保持几毫秒 。在一个周期内栅极电容上的电荷将基本保持不变。经过一个CP的推动，数据即可向右移动一位。 自动化学院应用电子教学中心

  44. 2．FIFO型顺序存储器 图8.4.4 1024×8位FIFO型顺序存储器 每个动态移存器都由1024个动态CMOS移存单元串接而成，它有循环刷新、读、写三种工作方式，可在CP推动下，每次对外读（或写）一个并行的8位数据 。 自动化学院应用电子教学中心

  45. ⑴ 循环刷新 当片选信号为1时，若 控制端输入信号为1，则G1、G20～G27打开，G10～G17被封锁，在CP推动下，输入数据移入移存器，执行写入操作；若读控制端信号也同时为1，则G30～G37打开，可以读取数据，SAM执行边写边读操作。 当片选信号为0时，SAM未被选中，G1、G20～G27、G30～G37被封锁，G10～G17打开，故不能从数据输入端I0～I7输入数据，也不能从输出端O0～O7输出数据，它只能在CP推动下，将原来存入的数据由移存器输出端再反馈送入其输入端，执行循环刷新操作，只要不掉电，这些信息就可以在动态中长期保存。 ⑵ 读和写 自动化学院应用电子教学中心

  46. 若 控制端输入信号为0，且读控制端信号为1时，G10～G17、G30～G37打开，G20～G27封锁，在CP推动下，执行读出操作，数据从输出端O0～O7输出，同时将输出数据反馈送入移存器，以保留原数据。 自动化学院应用电子教学中心

  47. 8.5本章小结 1．半导体存储器的分类方法和主要技术指标; 2．半导体存储器中地址和数据的概念，计算存储器系统的容量; 3．ROM、RAM和SAM 的组成结构和基本特点; 4．用ROM实现组合逻辑函数的方法; 5．半导体存储器容量的扩展方法，包括字扩展和位扩展。 自动化学院应用电子教学中心

  48. 存储器是某些数字系统和电子计算机中不可缺少的重要组成部分，存储器的字数和位数的乘积表示存储器的容量。存储器常分为只读存储器ROM、随机存储器RAM和顺序存储器SAM，绝大多数属于MOS工艺制成的大规模集成电路。存储器是某些数字系统和电子计算机中不可缺少的重要组成部分，存储器的字数和位数的乘积表示存储器的容量。存储器常分为只读存储器ROM、随机存储器RAM和顺序存储器SAM，绝大多数属于MOS工艺制成的大规模集成电路。 只读存储器ROM是一种在工作过程中只能读出不能写入的非易失性存储器，存储的信息可长期保存，掉电不会丢失。根据数据写入方式的不同，ROM可以分成固定ROM、可编程ROM（PROM）和可擦除的可编程ROM（EPROM），根据擦除手段和条件的不同，EPROM还可分为紫外线擦除的可编程ROM（UVEPROM，一般所说的EPROM指的是UVEPROM）、电信号擦除的可编程ROM（E2PROM）和闪烁存储器（Flash）三种。 自动化学院应用电子教学中心

  49. 随机存储器RAM存储的数据断电后会消失，属于易失性的读/写存储器，RAM是一种时序电路，具有记忆功能。根据存储数据的原理不同，RAM有SRAM和DRAM两种类型，SRAM用双稳态触发器记忆数据，而DRAM靠MOS管栅极电容上的电荷存储数据，在不掉电情况下，SRAM的数据可以长久保持，而DRAM需要定期刷新。随机存储器RAM存储的数据断电后会消失，属于易失性的读/写存储器，RAM是一种时序电路，具有记忆功能。根据存储数据的原理不同，RAM有SRAM和DRAM两种类型，SRAM用双稳态触发器记忆数据，而DRAM靠MOS管栅极电容上的电荷存储数据，在不掉电情况下，SRAM的数据可以长久保持，而DRAM需要定期刷新。 顺序存储器SAM是一种读/写存储器，其中数据按照一定顺序串行地写入和读出，因此，要进行读/写的数据都先移到指定的位置才能进行操作，导致读/写速度较慢。SAM的基本电路由动态移存器和控制电路组成。 自动化学院应用电子教学中心

  50. 数字电路与 系统设计 第八章 THE END 自动化学院应用电子教学中心

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