第七章 半导体存储器 本章的重点： 本章的难点： 1．存储器的基本工作原理、分类和每种类型存储器的特点； 2．扩展存储器容量的方法； 3．用存储器设计组合逻辑电路的原理和方法。 因为存储器几乎都作成LSI器件，所以这一章的重点内容是如何正确使用这些器件。存储器内部的电路结构不是课程的重点。 本章的难点： 在本章的重点内容中基本没有难点。

第七章 半导体存储器 第一节 概述 存储器：存储大量二值信息（或称为二值数据）的半导体器件。 用途：在计算机或数字系统中存储数据。 与寄存器的区别：以字为单位存取，每字包含若干位。各个字的相同位通过同一引脚与外界联系。每个字分配一个地址，因此内部有地址译码器。

(Random Access Memory) 快闪存储器 (Static RAM) 还可以按制造工艺分为双极型和MOS型两种。 分类： 掩模ROM 紫外线擦除 只读存储器ROM 可编程ROM（PROM） (Programmable ROM) UVEPROM (Read- Only Memory) (Ultra-Violet) 可擦除可编程ROM（EPROM） 按功能 EEPROM 只能读出不能写入,断电不失 (Electrically) (Erasable PROM) Flash Memory 随机存储器RAM 电可擦除 静态存储器SRAM (Random Access Memory) 快闪存储器 (Static RAM) 还可以按制造工艺分为双极型和MOS型两种。 动态存储器DRAM (Dynamic RAM) 主要指标：存储容量、存取速度。 存储容量:用字数×位数表示，也可只用位数表示。如，某动态存储器的容量为109位/片。

存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。高速存储器的存取时间仅有10ns左右。 第二节 只读存储器ROM 一、掩模只读存储器 又称为固定ROM。工厂按用户要求生产出来后，用户不能改动。 1.ROM的构成 存储矩阵：由若干存储单元排列成矩阵形式。 储存单元：可由二极管、双极性三极管或MOS管构成。 地址译码器：根据地址输入，在存储矩阵中选出指定的字对应的单元，把数据送往输出缓冲器。 输出缓冲器：增加带负载能力；同时提供三态控制，以便和系统的总线相连。

2.工作原理 按组合电路进行分析。 存储矩阵是四个二极管或门； 当EN=0时， 。 D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0 二－四线译码器 按组合电路进行分析。 存储矩阵是四个二极管或门； 当EN=0时， 。 D3 = W1+W3 = A1A0+A1A0=A0 D2= W1= A1+A0 D1= D3 = A0 A1,A0的四个最小项 真值表与存储单元有一一对应关系 D0 = W1+ W0 = A1 真值表： 1 D0 D1 D2 D3 A0 A1 位线 字线

用MOS工艺制造的ROM的存储矩阵如图： 二、可编程只读存储器PROM 产品出厂时存的全是1，用户可一次性写入，即把某些1改为0。但不能多次擦除。 或非门 编程时VCC和字线电压提高 存储单元多采用熔丝－－低熔点金属或多晶硅。写入时设法在熔丝上通入较大的电流将熔丝烧断。

读出时，读出放大器AR工作，写入放大器AW不工作。 16字×8位的PROM 十六条字线 读出时，读出放大器AR工作，写入放大器AW不工作。 八条位线 写入时，在位线输入编程脉冲使写入放大器工作，且输出低电平，同时相应的字线和VCC提高到编程电平，将对应的熔丝烧断。 20V 十几微秒 编程脉冲 缺点：不能重复擦除。

三、可擦除的可编程只读存储器（EPROM） （一）紫外线擦除的只读存储器（UVEPROM） 是最早出现的EPROM。通常说的EPROM就是指这种。 1.使用浮栅雪崩注入MOS管（Floating-gate Avalanche-Injuction MOS，简称FAMOS管。） 写入：管子原来不导通。在漏源之间加上较高电压后（如-20V），漏极PN结雪崩击穿，部分高速电子积累在浮栅上，使MOS管导通。 浮栅上电荷可长期保存－－在125℃环境温度下，70%的电荷能保存10年以上。 擦除：用紫外线或X射线擦除。需20~30分钟。 存储单元如图。 缺点：需要两个MOS管；编程电压偏高；P沟道管的开关速度低。

2.使用叠栅注入MOS管SIMOS (Stacked-gate Injuction MOS) 构造： 用N沟道管；增加控制栅。 SIMOS管原来可导通，开启电压约为2V。 注入电荷：在DS间加高电压，同时在控制栅加25V、50mS宽的脉冲。由于控制栅上有电压，所以需要的漏源电压相对较小。注入电荷后其开启电压达7V，不能正常导通。 存储单元如下页图。256字X1位。已注入电荷的SIMOS管存入的是1。

这是一种双译码方式，行地址译码器和列地址译码器共同选中一个单元。每个字只有一位。 （二）电可擦除EPROM(EEPROM或E2ROM) 用紫外线擦除操作复杂，速度很慢。必须寻找新的存储器件，使得可以用电信号进行擦除。 使用浮栅隧道氧化层MOS管Flotox(Floating gate Tunnel Oxide)

特点：浮栅与漏区间的氧化物层极薄（20纳米以下），称为隧道区。当隧道区电场大于107V/cm时隧道区双向导通。 GC Gf 漏极 当隧道区的等效电容极小时，加在控制栅和漏极间的电压大部分降在隧道区，有利于隧道区导通。 擦除和写入均利用隧道效应 存储单元： 写入（写0） 读出 擦除（写1） 10ms

（三）快闪存储器(Flash Memory） EEPROM的缺点：擦写需要高电压脉冲；擦写时间长；存储单元需两只MOS管。 快闪存储器就是针对此缺点研制的。 （三）快闪存储器(Flash Memory） 采用新型隧道氧化层MOS管。 该管特点： 1.隧道层在源区； 2.隧道层更薄－－10～15nm。在控制栅和源极间加12V电压即可使隧道导通。

1.写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接6V；控制栅12V脉冲，宽10 s。 存储单元的工作原理： 1.写入利用雪崩注入法。源极接地；漏极接6V；控制栅12V脉冲，宽10 s。 5V 2.擦除用隧道效应。控制栅接地；源极接12V脉冲，宽为100ms。因为片内所有叠栅管的源极都连在一起，所以一个脉冲就可擦除全部单元。 0V 6V 12V 10 s 0V 12V 100ms 3.读出：源极接地，字线为5V逻辑高电平。 快闪存储器特点：集成度高，容量大，成本低，使用方便。已有64兆位产品问世。很有发展前途。

特点：RAM在工作时可随时对任意指定单元进行读或写操作。使用方便、灵活。但切断电源后，所存信息就会丢失。 分为静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM两种。也可称为读写存储器。 一、静态随机存储器SRAM （一）RAM的结构 2114 1.存储矩阵 2.地址译码：双译码。 3.读写控制电路： 注意：使用超级链接－－【2114】和【六管单元】 片选信号CS： 控制I/O端是否处在高阻状态。 读写控制信号R/ W： 控制电路处于读出还是写入状态。 六管单元

SRAM结构 1024字×4位（2114）

（二）静态RAM的存储单元 1.六管NMOS静态存储单元 2.六管CMOS静态存储单元 3.双极型静态存储单元 六管NMOS

*二、动态随机存储器DRAM 利用MOS管栅极电容可以暂存电荷的原理制成。因此，存储单元简单，存储容量大。但栅极电容很小，由于漏电的影响，电容电荷保存时间很短。必须定时给电容充电－－刷新、再生。这就需要外围电路配合。 这里只介绍四管动态存储单元。 读出： 先加预充脉冲，使B和B线充至VDD,再使X信号有效，就可在B和B线上得到要求的电平。 这也是刷新过程。 如果使Y信号也有效，就能读出了。 写入： 跟静态存储器类似。

第四节 存储器容量的扩展 一、位扩展方式 例：用1024字×1位RAM构成1024字×8位RAM. N= 目标存储器容量 已有存储器容量 需要片数N=8 方法：所有输入信号都并联（地址信号、片选信号和读写信号）。输出并列。

二、字扩展方式 例：用256字×8位RAM组成1024字×8位存储器。 需要片数N＝4 特点：必须使用译码器。 各片地址分配情况： N= 目标存储器容量 已有存储器容量 特点：必须使用译码器。 字扩展图 各片地址分配情况： 000H 0FFH 100H 1FFH 2FFH 3FFH 200H 300H 当要求字和位都扩展时，重复使用字扩展的电路，但译码器只用一个。

第五节 用存储器实现组合逻辑函数 ROM的每个输出都是由地址输入的最小项之和的形式给出的，因此可以用来实现组合逻辑函数。 例：用ROM实现由8421-BCD码到七段显示器的译码器。 输入变量

不可编程 打点处有二极管 ROM的简化表示方法。

注意读出和写入方法。 门控管 门控管 SRAM单元 SRAM结构 六管静态存储单元

方法：片内地址信号并联；多余地址端通过译码器接至各片的片选端；I/O同名端并联。 字扩展