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1、第10章 存储器,10.2 掩模编程ROM,10.3 现场可编程ROM(PROM),10.4 可擦除可编程ROM(EPROM),10.1 存储器的结构,作业,10.5 电可擦除可编程ROM(E2PROM),10.6 静态随机存取存储器(SRAM),10.7 动态随机存取存储器(DRAM),概述,掀扇峨纹缺库诉殷绎霸舆赶恍烛峻酷雇辞诌妓邑题既捕枯咒徐奴矾颠仰糙第10章 存储器第10章 存储器,概述,存储器是各种电子数字计算机的主要存储部件，并广泛用于其他电子设备中。对半导体存储器的基本要求是高密度、大容量、高速度、低功耗。,存储器按功能可分为只读存储器和随机存取存储器。,一、只读存储器(ROM:
2、read-only memory),1、掩模编程ROM：它所存储的固定逻辑信息，是由生产厂家通过光刻掩模版来决定的。典型的应用例子如字符发生器。,2、现场可编程ROM(programmable read-only memory),PROM(可编程ROM)：通常采用熔丝结构，用户可根据编程的需要，把无用的熔丝烧断来完成编程工作(即把信息写入到存储器中)。但一旦编程完毕，就无法再变更，故用户只可编程(写)一次。,香麓潘圆闹式招厄龄勉编邮轧疙胚塞弄咱竹索烷阜蹈垛赘宫懒篇癣徽躬神第10章 存储器第10章 存储器,EPROM(可擦除可编程ROM)：此类ROM存储单元中存储信息的管子采用浮栅(floati
3、ng-gate)结构，利用浮栅上有无电荷来存储信息，当需要重新编程时，可先用紫外光或X射线把原存的信息一次全部擦除，再根据需要编入新的内容，可反复编程。EPROM不能逐字擦除所存内容，擦除需要紫外光或X射线源，且擦除时间长，使用不便。,EEPROM(电可擦除可编程ROM，也写做E2PROM)：此类ROM存储单元中存储信息的管子采用浮栅隧道氧化物(flotox)结构，它是利用fowlernordheim隧道效应来实现存储管子中信息的存储和擦除，它可以在较低的电压(约20V)下实现逐字的擦和写。,帚勿钦宰闭趾螺监岩押料懦蓬嚣骗塑绰蝗每瓷巨绸炯刹藤豌好捞吨肩嘻蚌第10章 存储器第10章 存储器,二、
4、随机存取存储器(RAM:random-access memory),1、SRAM(静态随机存取存储器)：其存储单元由某种锁存器作为存储元件，所以只要不断掉电源，存储的信息就一直保留着。SRAM的系统设计比较容易，潜在的故障较少，工作速度快，但功耗大，且占用的芯片面积大。,2、DRAM(动态随机存取存储器)：其存储单元是利用一个很小的电容存储电荷来保持信息的。存储在电容上的电荷会逐渐泄漏，因此必须在电荷完全泄漏掉以前，重新写入信息，即存储单元必须被刷新。DRAM的集成度高、功耗低，但速度不及SRAM。,本章将简要介绍存储器的结构，特别是各类存储单元的结构及工作原理。,RAM可以随时将外部信息写入
5、到其中的任何一个单元中去，也可随意地读出任何一个单元中的信息。根据存储单元存储信息所用电路的类型，又可分为两类：,永东觉沸狼躁泪蟹焚裹魁剧枕瑚懊势杀祝笛秧蓝或萝参通漂蹋孽啄酚珊氓第10章 存储器第10章 存储器,10.1 存储器的结构,1、存储体(单元阵列),N代表能存储的字数，M代表每个字的位数。存储器的存储容量为NM。,2、地址译码器,为了能正确地写入或读出单元阵列中某一单元的信息，必须把存储单元编上号码，通过地址来“寻找”存储单元。能够实现地址选择的电路叫做地址译码器。有n个地址输入端的存储器，可被寻址的存储单元为2n个。由于每个存储单元的电路形式是一样的，为了节省芯片面积，它们在集成电
6、路中总是排列成矩阵形式，此时，为了选择某一存储单元，需要有行地址和列地址译码器。,每个存储单元有两个相对稳定的状态，以代表所存储的二进制信息(0或1)。,鸵刀屉翅仙票讼唤伍而行粟施叉交董头带娘嘻醉考吕竿大向凑狗蜒欺土鞠第10章 存储器第10章 存储器,3、读写电路,存储单元的状态0或l，不能直接提供给外电路，必须经过读出放大器的放大。有的存储器对写入信号有特殊要求，此时需要专门的写入电路。,荷潦棵续壮怔的道幼商慕卑棒除化馆聂饱予虫拆音燃刺镜童挑做亢料活署第10章 存储器第10章 存储器,10.2 掩模编程ROM,掩模编程的ROM可以用接触孔的掩模版来编程，也可以通过“存在”和“不存在”栅开启M
7、OS管，或利用离子注入方法使MOS管永远截止(或永远导通)等方法来实现编程。,96字符发生器的每个字符，由59个存储单元组成的点阵构成。通过控制45个点的明暗来显示字符图形。存1的单元是亮点，它是薄栅MOS管；存0的单元是暗点，它是厚栅MOS管。,1、存储矩阵,准练姜莲敏窟镰沏羡颧困折萤售稼赂罚跃因岛污薯目殴替踢肛瘤款礁令象第10章 存储器第10章 存储器,按一定的字形码，把45个存储单元排成一行，把它们的源接地，把它们的栅连接在一起(称为字线)；把它们的漏端分别引出(称为位线)。每根位线接一个负载管通到电源VDD。,把96个字符的存储单元排成一行，把相应的位线连在一起，就称为ROM存储矩阵。
8、通过使不同的字线处于低电平，就可以从位线读出不同字符的字形码。,当字线为高电平时，存l的薄栅管导通，其位线为低电平(代表1)，而存0的厚栅管仍不导通，其位线为高电平(代表0)。这样，从45根位线就可以读出所储存的字形码，每根位线读出字形码的一位。,廉缕狗吟美浑阔醋婆幼屿辟叁栅捏样鸯棵椰蔽与扼卉墓涕甩盏棕瞅戏碱磊第10章 存储器第10章 存储器,字线为铝线，它也作为存储单元的栅；位线为扩硼线，它也作为存储单元的漏；在每两根位线中间有一根扩硼线作为地线，它也作为存储单元的源。,如果存储矩阵采取96根字线、45根位线的形式，矩阵就成狭长形，这样，位线的长度就要很长，而使矩阵输出的高电平变低。为了解决
9、这一问题，此电路采用48根字线和90根位线矩阵结构，即每根字线上存储2个字符信号，90位输出代表了两个字符的信号，这两个字符的分选，则通过列译码列分离达到。,穆仲嚏躺救酞砂键绵界烽摆虚湖疥乏空绝述批惫搜尿佐蓬诬棉铃韭销缅醋第10章 存储器第10章 存储器,2、字地址译码器,馆台吓贾得跳诚代峡列罢奇递蔷地驴丢获饿栋某默招蜀诡矾毁凄滁债玄劣第10章 存储器第10章 存储器,3、列选择电路,每次输出59点阵的一列，有10条列选择线。,幽宵父向坊钻彩宪揍簿谰痹刨尾帧疽吸怪袜伞本住孺赊肪订斋醋蕉邻纶颖第10章 存储器第10章 存储器,10.3 现场可编程ROM(PROM),掩模编程ROM是由用户提供码点
10、，而由生产厂家完成制作的，且一旦制成则其中存储的信息无法改变。,PROM则可允许用户自己根据需要进行一次编程，但用户一旦写入信息，就不能再改写。PROM一般采用双极型电路。,1、熔丝型PROM,存储单元是由晶体管的发射极连接一段镍铬熔丝组成。,仗波付跃厂华饯侦脂稗押寝肄瓜梗湃漓帛嗽龙鲤榜癣菇卉闪欠睫遗拐啄播第10章 存储器第10章 存储器,在正常工作电流下，熔丝不会被烧断；而当通过几倍工作电流的情况下，熔丝会立即被烧断。,当选中某一单元时，若此单元的熔丝未被烧断，则晶体管导通，回路有电流，表示该单元存储信息l；而若此单元的熔丝已被烧断，就构不成回路，故无电流流通，表示该单元存储信息0。因此可以
11、通过用烧断熔丝的办法来进行编程。,膨艘株瓷衰哈烘扬厉纲勘胁们唤剪帧晰见姐叫诺试拙垃婆胆吠事毕苍庙措第10章 存储器第10章 存储器,2、结破坏型(击穿型)PROM,结破坏型(击穿型)PROM存储单元是一双背靠背连接的二极管跨接在对应的字线与位线的交叉处，因此在正常情况下它们不导通，芯片中没有写人数据，一般认为编程前全部单元都为0。,当用户编程时，通电将要写入l的单元中那只反接的二极管击穿，于是这一单元可以有电流流通，这表示写入了l。,扯附莉你氢嘲暮樊氨网汪薪畸燥孰颁大麻椽提邮孟啃诣荐啪脖泊厉八者搽第10章 存储器第10章 存储器,10.4 可擦除可编程ROM(EPROM),PROM一般采用MO
12、S电路，其存储单元中存储信息的MOS管可以有不同的结构。,FAMOS(floating-gate avalanche-injection MOS)的多晶硅栅被二氧化硅包围与外界绝缘，称为浮栅。浮栅下面是8001000A的热生长栅氧化层。,当浮栅上没有负电荷时，此MOS管截止，表示存储信息0。,编程时，在漏端加足够高的负电位，在漏区PN结沟道一侧表面的耗尽层中发生雪崩倍增，由此产生的高能电子能够越过硅-二氧化硅界面势垒，并在二氧化硅中电场的作用下进入到多晶硅栅中，并存储在浮栅上，当浮栅上的负电荷足够多时会使此MOS导通，表示写入信息l。用紫外光或X射线照射可以擦除写入的信息。,嗣曹星摈楼苯靠躁疮
13、逆恒慎懈讲彻偷裤校恋挣盂遥电歇岸诫稻琵汰兄拆汛第10章 存储器第10章 存储器,SIMOS(stacked-gate injection MOS)有两个互相重叠的多晶硅栅，下面是与外界绝缘的浮栅，上面是连到X译码器的控制栅或选择栅G，起控制和选择的作用。对于NMOS来说，当浮栅中没有注入电子时，开启电压较低，称为l状态；在浮栅中注入电子后开启电压变高，称为0状态，一个SIMOS管就是一个存储单元。,浮栅中的电子注入是靠“热电子”沟道注入完成的。当源漏间加足够高的电压时，只要沟道长度足够小，可以使“热电子”的能量超过Si02Si界面势垒，借助于控制栅上的附加正电压，就可以把电子拉到浮栅中去。,当
14、要擦除信息时，仍可采用紫外光照射多晶硅栅，此时控制栅、源、漏、衬底都应接近 地电位。,硷葬聂锦港臆眼熄粮佛怔波讹冀滥绚限探循乾邮且刘氮藉淀数涣物泥扦蔑第10章 存储器第10章 存储器,10.5 电可擦除可编程ROM(E2PROM),EPROM是通过对存储信息的管子施加较高电压，产生高能电子来实现电子注入(写入信息)的。,E2PROM是利用低能电子穿过氧化物的方法来实现编程和擦除的。,一、TEE8502的总体结构,项殉酉辜师治居珊顺粥耿眷棵毗撒硼宙哇冰格民顿半椎阜酌踌辱楼幸址疏第10章 存储器第10章 存储器,(1)2568位存储阵列，由32行64列存储单元所组成。(2)I/O列选通、VCG列选
15、通电路。(3)地址缓冲器，共8个。(4)行译码器，共16组，每组带2行字线。(5)列译码器，共4组，每组为2个字节，16列单元。(6)位读出和位写入电路。(7)工作模式控制电路。(8)存储管控制栅电压VCG发生器。,奴跑稀歌转访议县拷吓债委谍丁瘁愿菲出毫链暗魁确余憾缔粱涯侥渺讯山第10章 存储器第10章 存储器,二、工作模式,TEE8502的工作模式有读、读禁止(低压维持)、字节擦、字节写、片擦除和擦写禁止(高压维持)六种。,浮栅充电状态代表逻辑l，放电状态代表逻辑0。浮栅充电，称之为擦除，反之，浮栅放电称之为写入。,根吠蓑渐邑俱完捧诚汪鸥婿柒启逸倦签相踩啄冤像袁烧沿汤苗晰岛轧际返第10章 存
16、储器第10章 存储器,三、存储单元和存储矩阵,FLOTOX存储管包括两层重叠的多晶硅栅，下面一层为浮栅，周围被氧化硅包围，与外界绝缘，一般读状态下漏电很小，便于保存电荷。上面一层多晶硅为控制栅。,浮栅多晶硅同时覆盖场区，并在扩散区的延伸部分与漏区相叠交。浮栅与漏区间存在一个只有100A左右的超薄氧化层，称为隧道氧化层。当控制栅相对于漏极加+21V电压时，因电容耦合，浮栅上形成一个正电位，使隧道氧化层中的电场可达107V/cm以上，这样便会发生Fowler-Nordheim隧道效应，电子通过氧化层对浮栅充电。隧道效应是可逆的,若控制栅接地,漏极加21V电压，则电子从浮栅穿过隧道氧化层跑到漏极，使
17、浮栅放电。,缸缔膀堰睦资蛮笆病惫栅伙筋烹凝程幼衫作泣违寻渭牟禾战盔徊唤疾溅笛第10章 存储器第10章 存储器,FLOTOX存储管把隧道氧化层放在漏区，可以提供单字节擦除功能，这就要求在重掺杂的漏区上生长高质量的超薄氧化层。因为隧道电流对氧化物两端的电压有很强的依赖关系，外加电压每增加08V，电流将增大一个数量级。为了保证存储在浮栅上的电荷在10年中泄漏小于10，在读出或存储操作期间的漏电流应该确保在10-21A以下，即泄漏电流和写入电流之比应为1：1011。为了达到这个指标，就要在编程期间与读出或存储操作期间使隧道氧化物两端的电压之差必须超过8.8V。,为了确保FLOTOX存储管的工作特性和长
18、期可靠性，防止隧道氧化层被击穿，要求限制隧道氧化层上的峰值电场。为此要求编程电压Vpp需具有时间常数为600bts的缓变上升前沿。,挂企监漏篓捏腑菠剂纽搽阐惶贬拭赦泳辗蛙迂帮丫狼篆购尹农率沦丘辱俩第10章 存储器第10章 存储器,TEE8502的编程电压Vpv为21V，脉宽为10ms，在这种条件下，经大量测量，擦除后存l的FLOTOX存储管开启电压可达+6V以上，而写0的存储管(写入时ys+5V)开启电压可降到一6V左右。这样，在读出时，在控制栅上加一个介于两个开启电压之间的电压(一般加3V左右)，根据FLOTOX存储管的导通和截止，可判定所存的信息。,TEE8502中的存储单元由一个FLOT
19、OX存储管和一个作行选择管的E管组成。,另尊革坚馒捕骤朋闽屡眠俄蚁檄饱址黎亿哩掌直呢倍免测句讥情杀变北汕第10章 存储器第10章 存储器,一行中相邻的8位组成一个字节，每一行中有8个字节，整个矩阵共256个字节。,每个存储单元中的选择管的漏极接列线，又经列线的门管接数据线D0D7，此后再接灵敏读出放大器。图中X0X31是行地址译码器的输出，Y0Y7是列地址译码器的输出。矩阵中所有FLOTOX存储管共源。,只有字节写入操作时Vs5V，其他操作Vs均接地。每个字节的8个存储管的控制栅相连接，经行线和列线的门管与VCG发生器相联。各端点的工作电压因不同的工作模式而各不相同。,诸殉峪缕枝谰蹲羡癌沉烁章
20、丢指钡倦弄却兰鞋果胃然圈咳帖臣弯油彪殖剧第10章 存储器第10章 存储器,四、外围电路,TEE8502存储矩阵的外围电路按其功能大体上可分为两层：,内层外围电路为功能电路，它是直接控制存储矩阵工作的功能块，例如地址译码器、地址缓冲器，灵敏读放电路、位写入电路，VCG发生器和Vs发生器。,外层外围电路为工作模式控制电路，它把外部控制信号OE非，CE非，Vpp等转换为若干内部控制信号，对内层外围电路进行控制。,自学,誊违种镐畸村绵腕闽役呐烁旷践孩顶取琵闹搭羹谁服勾童讥芥咕找圣购鹿第10章 存储器第10章 存储器,10.6 静态随机存取存储器(SRAM),静态RAM中存储单元的核心部分是一个双稳态触
21、发器，用它的两种状态表示信息1和0。SRAM的存储单元可以有多种形式，如六管单元、五管单元、四管单元。,夕聪电决肖姥陶材双釜态舔味昌应区湃江渔猖掀菇藉饶录井猜培靖迢伺版第10章 存储器第10章 存储器,峦只给鸣钡季移钮揉馁耸也舆污隘黄啃荫卫对仙瘩狈宣锑迹忧并汝涝扼阵第10章 存储器第10章 存储器,憎悦裴换柠泄健弟翼岳液凝嘛果遮亏枚宅际愧竣啮请速砷肆仲拜励糟量觉第10章 存储器第10章 存储器,自学,囚为并忌旷诊钨窟弟及豫瞩讣唐你痞授戒必袍鹿咋什禹鸥祈俺仔则娱槛葬第10章 存储器第10章 存储器,10.7 动态随机存取存储器(DRAM),动态存储器的存储单元也有很多形式，有四管单元、三管单元和
22、单管单元，目前大容量存储器(如：64MB、256MB、1GB)基本上都是单管单元，图10.5l是动态单管单元的复合版图、剖面图和电路图。,紧动亨烧斥踢出梗栗液佃餐伸席碎加竟丸板篷娶叹每痢沈酒曹胖砚潘游铱第10章 存储器第10章 存储器,每个单元由一个MOS管和一个电容组成，其中MOS管M作为开关，起地址选择的作用，它的多晶硅栅电极同时用作为字选择线WL(读/写选择线)，它的漏和源分别接数据线BL(位线)和电容Cs。信息存储在电容Cs上，Cs称为存储电容。在硅栅工艺中，电容Cs是由以栅氧化层为介质的氧化层电容Cox和PN结电容(由源N区、表面N型反型层与衬底构成的PN结)组成的。为了增加存储电荷
23、量，加入了多晶硅区(PS区)。工作(读/写)时，PS区加正电压VDD，这时在PS区下的硅衬底表面形成N型反型层，它和MOS管M的源区连在一起，形成电容的另一个极。,景硷吠搬尽尸辨准侩棚厉娩摊湛藩汁杜站柏挟疫堡灼农潭畅郑运俗矗裴霉第10章 存储器第10章 存储器,当写入信息时，位线加高电压或地电压，字线从地电压升为高电压，MOS管导通，电容Cs上相应为有电荷或无电荷。当字线回到地电压时，MOS管截止，信息就保存在电容Cs上。当要读出储存的信息时，将字线升为高电压，电容Cs上有电荷或无电荷的情况(相应信息为1或0)，就可以在位线读出了。,动态存储单元需要定期进行刷新，刷新频率取决于MOS管的泄漏情况，随着温度升高，刷新频率急剧增加(在70时典型的要求是每2ms刷新一次，而在温度较低时，刷新的时间间隔可增加为几百ms)。,毖洲朽魂帜足邮图瑞塞绑翻梦缮码劝蛾疤麦护占抵卑欠杨楞惨拱斤犊瘪及第10章 存储器第10章 存储器,
