數(shù)字電子技術(shù)7章

第七章半導(dǎo)體存儲器返回7.2只讀存儲器7.1存儲器概述7.3隨機(jī)存儲器7.4用存儲器實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)7.1存儲器概述

存儲器是數(shù)字系統(tǒng)和電子計算機(jī)的重要組成部分；功能：存放數(shù)據(jù)、指令等信息。按材料分類1)磁介質(zhì)類——軟磁盤、硬盤、磁帶2)光介質(zhì)類——CD、DVD3)半導(dǎo)體介質(zhì)類——ROM、RAM等按功能分類主要分RAM和ROM兩類，不過界限逐漸模糊。RAM:SRAM、DRAM,硬盤，ROM:CD,DVD,

FLASHROM，E2PROM，EPROM，PROM性能指標(biāo)1)存儲容量——字?jǐn)?shù)×位數(shù)；256×8bit=256Byte。2)存取時間——存儲器操作的速度。本課主要講述半導(dǎo)體介質(zhì)類器件7.2、只讀存儲器(ROM)ROM(Read-Only

Memory)：是存儲固定信息的存儲器件，即先把信息或數(shù)據(jù)寫入存儲器中，在正常工作時，它存儲的數(shù)據(jù)是固定不變的，只能讀出，不能寫入。(ROM是存儲器結(jié)構(gòu)最簡單的一種。）特點：

①只能讀出，不能寫入；②屬于組合電路，電路簡單，高度集成；③具有信息的不易失性；④存取時間在20ns～50ns。

缺點：只適應(yīng)存儲固定數(shù)據(jù)的場合。半導(dǎo)體存儲器：存放大量二進(jìn)制信息的半導(dǎo)體器件。ROM的分類(1)按制造工藝分二極管ROM雙極型ROM(三極管)單極型ROM(MOS)(2)按存儲內(nèi)容寫入方式分掩膜ROM(固定ROM)——廠家固化內(nèi)容；可編程ROM(PROM)——用戶首次寫入時決定內(nèi)容。(一次寫入式)可編程、可擦除ROM(EPROM)——可根據(jù)需要改寫；可編程、電可擦除ROM(EEPROM即E2PROM)快閃存儲器FLASHROM7.2.1、掩膜ROM(固化ROM)

采用掩膜工藝制作ROM時，其存儲的數(shù)據(jù)是由制作過程中的掩膜板決定的。這種掩膜板是按照用戶的要求而專門設(shè)計的。因此，掩膜ROM在出廠時內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)就“固化”在里面了，使用時無法再更改。(1)基本構(gòu)成A0Ai地址譯碼器…..存儲矩陣輸出緩沖器地址輸入三態(tài)控制數(shù)據(jù)輸出①地址譯碼器的作用將輸入的地址代碼譯成相應(yīng)的控制信號，利用這個控制信號從存儲矩陣中把指定的單元選出，并把其中的數(shù)據(jù)送到輸出緩沖器。②存儲矩陣是由存儲單元排列而成，可以由二極管、三極管或MOS管構(gòu)成。每個單元存放一位二值代碼。每一個或一組存儲單元對應(yīng)一個地址代碼。③輸出緩沖器的作用：Ⅰ、提高存儲器的帶負(fù)載能力，將高、低電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平；Ⅱ、實現(xiàn)對輸出的三態(tài)控制，以便與系統(tǒng)總線連接。A0Ai地址譯碼器…..存儲矩陣輸出緩沖器地址輸入三態(tài)控制數(shù)據(jù)輸出(2)舉例4×4存儲器2位地址代碼A1、A0給出4個不同地址,4個地址代碼分別譯出W0～W3上的高電平信號.二極管與門作譯碼A1A0＝00W0＝1A1A0＝01W1＝1A1A0＝10W2＝1A1A0＝11W3＝1存儲矩陣由4個二極管或門組成，當(dāng)W0～W3線上給出高電平信號時，會在D0～D3輸出一個二值代碼二極管或門作編碼器D3＝W1＋W3D2＝W0＋W2＋W3D1＝W1＋W3

D0＝W0＋W1A0、A1地址線;W0～W3字線D0～D3位線（數(shù)據(jù)線）字線和位線的每個交叉點都是一個存儲單元，在交叉點上接二極管相當(dāng)于存1，沒接二極管相當(dāng)于存0，交叉點的數(shù)目就是存儲容量，寫成“字?jǐn)?shù)×位數(shù)(2n×M)”的形式。存儲內(nèi)容真值表地址數(shù)據(jù)A1

A0D3

D2

D1

D000010110101101101001110D3＝W1＋W3D2＝W0＋W2＋W3D1＝W1＋W3

D0＝W0＋W1用MOS管工藝制作ROM時，譯碼器、存儲矩陣和輸出緩沖器全用MOS管構(gòu)成。存儲矩陣示例對應(yīng)字線為1時，有MOS管處的位線成低電平，經(jīng)輸出緩沖器返相后為1。7.2.2PROM(可編程ROM)☆PROM只能寫一次，一旦寫入就不能修改(OTP型OneTimeProgrammable)。☆基本結(jié)構(gòu)同掩模ROM，由存儲矩陣、地址譯碼和輸出電路組成?！畛鰪S時在存儲矩陣地所有交叉點上都做有存儲單元，一般存1。☆存數(shù)方法：熔絲法和擊穿法。熔絲法圖示加高電壓將熔絲化斷，即可將存0的位置的絲熔斷。e熔絲cbVCC字線位線反熔絲結(jié)構(gòu)，熔絲處用肖特基勢壘二極管代替，擊穿后為1。寫入時，找出要寫0的位置，加入編程的脈沖電平，使Aw輸出低電平，有較大的脈沖電流流過熔絲，將其熔斷。讀出時，放大器AR產(chǎn)生的高電平不足以使DZ導(dǎo)通，Aw不工作。7.2.3EPROM、E2PROM、FLASHROM☆電擦除，一般芯片內(nèi)部帶有升壓電路，可以直接讀寫EEPROM;擦除時間短(ms級)，可對單個存儲單元擦除;讀出：5V；擦除：20V；寫入：20V。EPROM：光擦除可編程ROM（UVEPROM）E2PROM：電擦除可編程ROM快閃存儲器FLASHROM：電擦除可編程ROM☆紫外線照射擦除，時間長20～30分鐘;整片擦除;寫入一般需要專門的工具☆結(jié)合EPROM和EEPROM的特點，構(gòu)成的電路形式簡單，集成度高，可靠性好;擦除時間短(ms級)，整片擦除、或分塊擦除;讀出：5V；寫入：12V；擦除：12V(整塊擦除)。

EPROM的存儲單元采用了疊柵注入SIMOS管。SIMOS管是一個N溝道增強(qiáng)型MOS管，控制柵Gc用于控制讀出和寫入，浮置柵Gf用于長期保存注入電荷。浮置柵上未注入電荷前，在控制柵上加正常的高電平能使D、S之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，SIMOS管導(dǎo)通。浮置柵上注入電荷后，必須在控制柵上加更高的電壓才能抵銷注入電荷的影響而形成導(dǎo)電溝道使SIMOS管導(dǎo)通。正常高電平不導(dǎo)通。EPROM原理當(dāng)漏源極間加以較高的電壓時，將發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。如果同時在控制柵上加上高壓脈沖，則在柵極電場的作用下，一些速度較高的電子便穿越SiO2層到達(dá)浮置柵，被浮置柵俘獲而形成注入電荷。浮置柵上注入電荷相當(dāng)于寫入了1，未注入電荷的相當(dāng)于存入了0。

擦除：用一定波長的紫外線或X射線照射SIMOS管的柵極氧化層，則SiO2層中將產(chǎn)生電子—空穴對，為浮置柵上的電荷提供泄放通道，使之放電，這個過程稱為擦除。擦除時間約為20~30min。為便于擦除操作，在器件外殼上裝有透明的石英蓋板遮蔽，以防止數(shù)據(jù)丟失。

用SIMOS管組成的EPROM

256×1位的EPROM

輸入地址的高4位，加到行地址譯碼器上，選出一行。

輸入地址的低4位，加到列地址譯碼器上，從選種行上讀出一位。

EN'=0時，指定位置的數(shù)據(jù)輸出。E2PROM電擦除，一般芯片內(nèi)部帶有升壓電路，可以直接讀寫EEPROM擦除時間短(ms級)，可對單個存儲單元擦除。讀出：5V；擦除：20V；寫入：20V。使用的浮柵隧道氧化層MOS管Flotox管。有氧化層極薄的隧道區(qū)，當(dāng)其電場強(qiáng)度達(dá)到一定程度時，便在漏區(qū)和浮置柵之間出現(xiàn)導(dǎo)電隧道，電子可以雙向通過，形成電流，這就是隧道效應(yīng)。選通管用來保護(hù)隧道區(qū)超薄氧化層EEPROM的3種工作狀態(tài)

讀出：5V；擦除：20V；寫入：20V。T2導(dǎo)通時，浮柵沒充有負(fù)電荷則T1導(dǎo)通，讀0；浮柵充有負(fù)電荷則T1截止，讀1+20V，10ms的脈沖電壓，漏區(qū)接0電平，在隧道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)電場，使浮置柵存儲電荷+20V，10ms的脈沖電壓，控制柵接0電平，使浮置柵的存儲電荷通過隧道區(qū)放電，寫入0快閃存儲器(FlashMemory)FlashMemory既吸收了EPMOS結(jié)構(gòu)簡單、編程可靠的優(yōu)點，又保留了E2PMOS用隧道效應(yīng)擦除的快捷特性，而且集成度可以做得很高。與SIMOS管極為相似，區(qū)別是浮柵與襯底間氧化層的厚度不同，僅為10~15nm，而EPROM的是30~40nm。而且浮柵與源區(qū)重疊的部分是由源區(qū)的橫向擴(kuò)散形成，面積極小。使CGfD≤CGcGf，易產(chǎn)生隧道效應(yīng)讀出狀態(tài)下，字線+5V，Vss為0電平。浮柵上沒有充電，疊柵MOS管導(dǎo)通，位線上輸出低電平；浮柵上有負(fù)電荷，疊柵MOS管截止，位線上輸出高電平。寫入方法與EPROM相同，利用雪崩注入使浮柵充電，擦除操作利用隧道效應(yīng)進(jìn)行，類似于E2PROM寫入0優(yōu)點：集成度高、大容量、低成本和使用方便等優(yōu)點7.3隨機(jī)存儲器RAM

隨機(jī)存儲器也稱隨機(jī)讀/寫存儲器，簡稱RAM。工作時，可隨時從指定地址讀出數(shù)據(jù)，也可隨時將數(shù)據(jù)寫入任一指定的存儲單元。RAM按功能可分為：靜態(tài)(SRAM)、動態(tài)(DRAM)RAM按所用器件可分為：雙極型和單極型RAM優(yōu)點：讀寫方便，具有信息的靈活性。缺點：數(shù)據(jù)易失性，即一旦停電所存儲的數(shù)據(jù)就隨之消失。7.3.1靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM由存儲矩陣、地址譯碼器和讀/寫控制電路(也稱輸入/輸出電路)三部分組成。組成：存儲矩陣：由許多存儲單元排列而成，每個存儲單元能夠存儲一位二值數(shù)據(jù)(0或1)，在譯碼器和讀/寫電路的控制下，既可寫入1或0，又可將存儲的數(shù)據(jù)讀出。

由于存儲器的容量巨大，在存儲器中使用雙譯碼形式，即地址分成行列兩組的形式，以簡化電路。用行、列兩組譯碼線來共同選擇存儲單元。

R/W'=1，讀出R/W'=0，寫入讀寫控制信號對電路工作狀態(tài)進(jìn)行控制。R/W'=1時，執(zhí)行讀操作，將存儲單元里的數(shù)據(jù)送到I/O端上。R/W'=0時，執(zhí)行寫操作，加到I/O端上的數(shù)據(jù)被寫入存儲單元中。

在讀寫控制電路上都設(shè)有片選輸入端CS'，控制RAM的工作狀態(tài)。CS'=0，RAM工作，CS'=1，I/O端高阻。CS'=0，工作CS'=1，高阻雙向箭頭表示一組可雙向傳輸數(shù)據(jù)的導(dǎo)線，導(dǎo)線數(shù)目等于并行I/O數(shù)據(jù)的位數(shù)。例：1024×4SRAM（2114）結(jié)構(gòu)圖A3A4A5A6A7A8行地址譯碼器列地址譯碼器存儲矩陣讀寫控制電路CS'R/W'數(shù)據(jù)輸入/輸出A0A1A2A9I/O0I/O1I/O2I/O3地址線：10根，A0～

A9數(shù)據(jù)線：4根，

I/O0～

I/O3控制線：2根，CS'片選，0有效；R/W'讀寫控制6116（2KX8）6264（8KX8）62256(32KX8)1024×4RAM存儲矩陣4096個存儲單元排列成64行×64列的矩陣。10位譯碼線，6個行譯碼線A3～A8用于選中指定的一行，另外4個作列譯碼線用來從選中的一行里挑出要進(jìn)行讀/寫的4個存儲單元。I/O1～I(xiàn)/O4既是數(shù)據(jù)輸入端又是數(shù)據(jù)輸出端。讀/寫操作在R/W'和CS'信號的控制作用下進(jìn)行。CS'=0,R/W'=1時，讀/寫控制電路工作在讀出狀態(tài)，被選中的四個存儲單元中的數(shù)據(jù)被送到I/O1～I(xiàn)/O4。CS'=0,R/W'=1時，讀/寫控制電路工作在寫入狀態(tài)，加到I/O1～I(xiàn)/O4端的輸入數(shù)據(jù)被寫入指定的四個存儲單元中。說明：

2114采用高速NMOS工藝制作，使用單一的+5V電源，全部輸入輸出邏輯電平與TTL電路兼容，完成一次讀或?qū)懖僮鞯臅r間為100～200ns。

若令CS'=1，則所有的I/O端均處于禁止?fàn)顟B(tài)，將存儲器內(nèi)部電路與外部連線隔離。因此，可以直接將I/O1～I(xiàn)/O4與系統(tǒng)總線相連，或?qū)⒍嗥?114的輸入/輸出端并聯(lián)使用。7.3.2SRAM的靜態(tài)存儲單元構(gòu)成方式：單極型和雙極型兩種。功耗低，集成度高，在交流供電系統(tǒng)斷電后用電池供電仍能保存數(shù)據(jù)不丟失。速度快，但功耗大、成本高、集成度低。主要用于高速系統(tǒng)。7.4存儲器容量擴(kuò)展當(dāng)使用一片ROM或RAM器件不能滿足對存儲容量的要求時，就需要將若干片ROM或RAM組合起來，形成一個容量更大的存儲器。位擴(kuò)展方式：字?jǐn)?shù)夠用但位數(shù)不夠用擴(kuò)展方式：字?jǐn)U展方式：位數(shù)夠用但字?jǐn)?shù)不夠用混合擴(kuò)展方式：字?jǐn)?shù)位數(shù)都不夠用說明：ROM無R/W'，位擴(kuò)展其余端與RAM相同。7.4.1、位擴(kuò)展方式將所有地址線、R/W'

、CS'分別并聯(lián)起來，I/O獨立。方法：例：用8片1024×1位的RAM接成一個1024×8的RAM。1024有10條地址線，256芯片本身用8條，另兩條譯碼后作為片選。7.4.2、字?jǐn)U展方式將所有地址線、R/W'、I/O分別并聯(lián)起來，另加譯碼電路將各CS'聯(lián)系起來(擴(kuò)充地址線)。方法：例：4片256×8位RAM擴(kuò)展成1024×8位RAM器件編碼A9A8Y'0Y'1Y'2Y'3地址范圍(等效十進(jìn)制數(shù))A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0RAM0001110000000000~0011111111(1)(0)(255)RAM0110110100000000~0111111111(2)(256)