第8章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

第8章半導(dǎo)體存儲(chǔ)器§8.1概述§8.2

只讀存儲(chǔ)器(ROM)

§8.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)1§6.1

§6.2§6.3

教學(xué)目的

1.了解半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類；2.了解只讀存儲(chǔ)器的特點(diǎn)和工作原理；3.了解隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的特點(diǎn)和工作原理；教學(xué)重點(diǎn)

1.只讀存儲(chǔ)器的工作原理；教學(xué)難點(diǎn)

1.用只讀存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)；2.RAM的擴(kuò)展。2§8.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器概述§8.1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類按照內(nèi)部信息的存取方式不同分為：1.只讀存儲(chǔ)器ROM。用于存放永久性的、不變的數(shù)據(jù)。2.隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM。用于存放一些臨時(shí)性的數(shù)據(jù)或中間結(jié)果，需要經(jīng)常改變存儲(chǔ)內(nèi)容。

數(shù)字系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)大量二進(jìn)制信息的器件是存儲(chǔ)器。穿孔卡片→紙帶→磁芯存儲(chǔ)器→半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長(zhǎng)等。按照制造工藝不同分為：TTL和MOS存儲(chǔ)器兩大類。1.TTL型速度快，用作計(jì)算機(jī)的高速緩沖存儲(chǔ)器；2.MOS型工藝簡(jiǎn)單、集成度高、功耗低、成本低等特點(diǎn)，常用作計(jì)算機(jī)大容量?jī)?nèi)存儲(chǔ)器。3按存儲(chǔ)信號(hào)的原理不同分為：靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器兩種。1.靜態(tài)存儲(chǔ)器是以觸發(fā)器為基本單元來(lái)存儲(chǔ)0和1的，在不失電的情況下，觸發(fā)器狀態(tài)不會(huì)改變；2.動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器是用電容存儲(chǔ)電荷的效應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)二值信號(hào)的。電容漏電會(huì)導(dǎo)致信息丟失，因此要求定時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充電或放電,稱為刷新。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器都為MOS型?！?.1.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)1、存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)叫存儲(chǔ)容量，即存放二進(jìn)制信息的多少。每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存放一位二進(jìn)制信息。存儲(chǔ)器中二值代碼都是以字的形式出現(xiàn)的。例如：16位二進(jìn)制信息構(gòu)成一個(gè)字，要存儲(chǔ)一個(gè)字，就需要16個(gè)存儲(chǔ)單元。若存儲(chǔ)1024個(gè)字，需要1024×16個(gè)存儲(chǔ)單元。通常，存儲(chǔ)容量應(yīng)表示為字?jǐn)?shù)×位數(shù)。2、存取周期：一般用讀(或?qū)?周期來(lái)描述，連續(xù)兩次讀取(或?qū)懭?操作所間隔的最短時(shí)間稱為讀(或?qū)?周期。4§8.2只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory)

ROM一般由專用的裝置寫(xiě)入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一旦寫(xiě)入，不能隨意改寫(xiě)，在切斷電源之后數(shù)據(jù)也不會(huì)消失，即具有非易失性；從工藝分ROM器件有二極管、雙極型和MOS型ROM三種；按存儲(chǔ)內(nèi)容存入方式的不同，又可以分成固定ROM和可編程ROM；可編程ROM又可以細(xì)分為一次可編程存儲(chǔ)器PROM、光可擦除可編程存儲(chǔ)器EPROM、電可擦除可編程存儲(chǔ)器E2PROM和快閃存儲(chǔ)器等。

固定ROM又稱為掩模ROM，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)固定變；

PROM在出廠時(shí)存儲(chǔ)內(nèi)容全為1(或者全為0)，用戶可以根據(jù)需要，利用通用或?qū)Ｓ玫木幊唐?，將某些單元改?xiě)為0(或1),但只能寫(xiě)入一次，一經(jīng)寫(xiě)入就不能再更改;

EPROM：存儲(chǔ)內(nèi)容可改變，EPROM所存內(nèi)容的擦去或改寫(xiě)需要專門(mén)的擦抹器和編程器實(shí)現(xiàn)。在工作時(shí)，也只能讀出。

E2PROM：可用電擦寫(xiě)方法擦寫(xiě)。5§8.2.1固定ROM1.與門(mén)陣列（譯碼器）輸出W0W1W2W3稱為字線，每個(gè)地址存放一個(gè)n位二進(jìn)制信息，由輸入的地址代碼A1A0確定選中哪條字線。所有地址碼相同的ROM的譯碼器完全一樣。(4×4)的固定ROM2.存儲(chǔ)矩陣一個(gè)字有4位信息，故有四條數(shù)據(jù)線D0D1D2D3，輸出又稱位線。四個(gè)輸出D3D2D1D0均是由A1A0所組成的函數(shù)。即：ROM又可以實(shí)現(xiàn)地址變量的任意函數(shù)。6(4×4)的固定ROM3.存儲(chǔ)單元當(dāng)A1A0=00時(shí)，則W0=1（W1W2W3為0）,此時(shí)選中0號(hào)地址使第一列兩個(gè)二極管導(dǎo)通。D0D1D2D3=0101每根字線和位線的交叉處是一個(gè)，共有16個(gè)單元。交叉處有二極管的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)“1”，無(wú)二極管的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)“0”。7(4×4)的固定ROM4.碼點(diǎn)表示位線與字線的邏輯關(guān)系：D0=W0+W

D1=W1+W3

D2=W0+W2+W3

D3=W1+W3存儲(chǔ)的1個(gè)字分別為：W0：0101W1

：1011W2：0100W3：11108[例1]試用ROM設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)函數(shù)y=x2的運(yùn)算表電路,x的取值范圍為0~15的正整數(shù)。Yi與X3X2X1X0之間表達(dá)式：解：x范圍為0~15,可用4位二進(jìn)制數(shù)X=X3X2X1X0表示,y最大值是225,可用8位二進(jìn)制數(shù)Y=Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。根據(jù)y=x2的關(guān)系可列出:Y與x所對(duì)應(yīng)的真值表如下：0149162536496481100121144169196225十進(jìn)制備注00000000000000010000010000001001000100000001100100100100001100010100000001010001011001000111100110010000101010011100010011100001Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0輸出0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111X3X2X1X0輸入Y7=∑(12,13,14,15)Y6=∑(8,9,10,11,14,15)Y5=∑(6,7,10,11,13,15)Y4=∑(4,5,7,9,11,12)Y3=∑(3,5,11,13)Y2=∑(2,6,10,14)Y1=0Y0=∑(1,3,5,7,9,11,13,15)9根據(jù)表達(dá)式畫(huà)出[例1]ROM存儲(chǔ)點(diǎn)陣如下圖10右圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程PROM結(jié)構(gòu)示意圖，它采用熔斷絲結(jié)構(gòu)，譯碼器輸出高電平有效。出廠時(shí)，熔絲是連通的，也就是全部存儲(chǔ)單元為1。如欲使某些單元改寫(xiě)為0，只要通過(guò)編程，并給這些單元通以足夠大的電流將熔絲燒斷即可。熔絲燒斷后不能恢復(fù)，因此，PROM只能改寫(xiě)一次?！?.2.2可編程ROM11MOS管和CMOS管方面知識(shí)的補(bǔ)充MOS管是金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)管的簡(jiǎn)稱；CMOS是ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor(互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)的簡(jiǎn)稱；也就是型號(hào)相反的兩個(gè)MOS管組合在一起而形成的；12

MOSFET的三個(gè)鋁電極分別為：源極s；柵極g；漏極d；由于柵極與源極、漏極均無(wú)電接觸，故稱絕緣柵極；通常情況下，源極S和襯底引線B是相互連接在一起的；1、N溝道增強(qiáng)型的結(jié)構(gòu)和符號(hào)132、工作原理(1)GS(GB)

=0，兩個(gè)N+之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道當(dāng)柵源短接(即GS=0)時(shí)，源區(qū)(N+型)、襯底

(P型)和漏區(qū)(N+型)就形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)；無(wú)論DS如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反偏的；反偏PN結(jié)的電阻阻值很大，可高達(dá)1012數(shù)量級(jí)；可以說(shuō)，漏極d和源極s之間沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道，因此iD=0。特點(diǎn)：GS≤0.3（低電平），iD=0，相當(dāng)于D和S之間斷開(kāi)。14(2)GS(GB)

≥VT時(shí)，出現(xiàn)N型溝道設(shè)DS=0；若在柵源之間加上正向電壓VGS，則在柵極和P型硅片之間的二氧化硅介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的、由柵極指向P型襯底的電場(chǎng)，但不會(huì)產(chǎn)生電流；這個(gè)電場(chǎng)是排斥P區(qū)的空穴而吸引電子的，因此，使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，留下不可移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P型襯底中的少數(shù)載流子(電子)被吸引到柵極下的襯底表面；15當(dāng)VGS達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P型硅表面便形成一個(gè)N型薄層，稱為反型層；反型層實(shí)際上組成了源、漏兩極間的N型導(dǎo)電溝道；由于它是柵源正電壓感應(yīng)產(chǎn)生的，也稱感生溝道；柵源電壓GS(GB)愈大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就愈強(qiáng)，吸引到P型硅表面的電子就愈多，感生溝道將愈厚，溝道電阻阻值將愈?。?/p>

特點(diǎn)：GS≥2V(高電平)，RDS很小可忽略。相當(dāng)于DS之間導(dǎo)通16§8.3.1靜態(tài)RAM§8.3隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）可隨時(shí)從任一指定地址存入（寫(xiě)入）或取出（讀出）信息。在計(jì)算機(jī)中，RAM用作內(nèi)存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。RAM又分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM；靜態(tài)RAM又分為雙極型和MOS型。六管NMOS靜態(tài)存儲(chǔ)單元T1T2T3T4構(gòu)成基本RS觸發(fā)器T5、T6為行選擇門(mén)控管，當(dāng)Xi為1時(shí)，T5、T6導(dǎo)通，觸發(fā)器輸出與位線連接；當(dāng)Xi為0時(shí)，T5、T6截止。T7、T8是列選擇門(mén)控管，當(dāng)Yj=1時(shí)，T7、T8導(dǎo)通，位線和數(shù)據(jù)線接通；Yj=0時(shí)，位線與數(shù)據(jù)線斷開(kāi)。T7T8是數(shù)據(jù)存入或讀出存儲(chǔ)內(nèi)容的控制通道17§8.3.2動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)單元是由門(mén)控管和電容組成。用電容上是否存儲(chǔ)電荷表示存1或存0。動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元常用三管結(jié)構(gòu)。

T2為存儲(chǔ)管，T3為讀門(mén)控管，T1為寫(xiě)門(mén)控管，T4為同一列公用的預(yù)充電管。代碼以電荷的形式存儲(chǔ)在T2管的柵極電容C中，C上的電壓控制T2管的狀態(tài)。讀出數(shù)據(jù)：輸入預(yù)充電脈沖,T4通,CD充電到VDD,讀數(shù)據(jù)線置1。讀選擇線置1,若C上原來(lái)有電荷,T2T3通,CD放電,數(shù)據(jù)線輸出0。若C上沒(méi)電荷,T2止,CD無(wú)放電回路,讀數(shù)據(jù)線為1,相當(dāng)反碼輸出。經(jīng)讀放大器放大并反相后輸出即為讀出數(shù)據(jù)。寫(xiě)入數(shù)據(jù)：令寫(xiě)選擇線為高電平,T1導(dǎo)通,當(dāng)寫(xiě)入1時(shí)，數(shù)據(jù)線為高電平,通過(guò)T1對(duì)C充電,1信號(hào)便存到C上。18下圖是MOS型靜態(tài)2114的結(jié)構(gòu)圖(1024×4)?？梢赃x擇4位的字1024個(gè)。采用X、Y雙向譯碼方式。4096個(gè)存儲(chǔ)單元排列成64行×64列矩陣，64列中每四列為一組，分別由16根Y譯碼輸出線控制。即每一根列譯碼輸出線控制存儲(chǔ)矩陣中四列的數(shù)據(jù)輸入、輸出通路。§8.3.3集成RAM簡(jiǎn)介當(dāng)=0且=1時(shí)，實(shí)現(xiàn)讀出操作;當(dāng)=0且，=0時(shí),執(zhí)行寫(xiě)操作。讀寫(xiě)操作在(讀/寫(xiě)信號(hào))和(選片信號(hào))控制下進(jìn)行。19RAM的擴(kuò)展分為位擴(kuò)展和字