数字电路第7章半导体存储器.ppt

第七章第七章 半导体存储器半导体存储器7.1 概述概述7.2 只读存储器（只读存储器（ROM）7.3 读写存储器（读写存储器（RAM）7.4 存存 储储 器器 容容 量量 的的 扩扩 展展 7.5 用存储器实现组合逻辑函数用存储器实现组合逻辑函数蓝彭熄秉姬艺丘绦碘慰柴犁抠沛托械承忻质副铅墩愁期豹耐帚嗽鸯敛啪鬼数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20241阜师院数科院7.1 概述概述 半导体存储器是用来半导体存储器是用来存储二值数字信息存储二值数字信息的大规模的大规模集成电路。在电子计算机以及其他一些数字系统的工集成电路。在电子计算机以及其他一些数字系统的工作过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，存作过程中，都需要对大量的数据进行存储。因此，存储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大而器件因为半导体存储器的存储单元数目极其庞大而器件的引脚数目有限，所以在电路结构上就不可能像寄存的引脚数目有限，所以在电路结构上就不可能像寄存器那样把每个存储单元的输入输出直接引出。为了解器那样把每个存储单元的输入输出直接引出。为了解决这个矛盾，在存储器中决这个矛盾，在存储器中给每个存储单元编了一个地给每个存储单元编了一个地址址，只有被输入地址代码指定的那些单元才能与公共，只有被输入地址代码指定的那些单元才能与公共的输入的输入/输出引脚接通，进行数据的读出和写入。输出引脚接通，进行数据的读出和写入。由于计算机处理的数据量越来越大，运算速度越由于计算机处理的数据量越来越大，运算速度越来越快，这就要求存储器具有更大的存储容量和更快来越快，这就要求存储器具有更大的存储容量和更快的存取速度。所以通常把的存取速度。所以通常把存储量和存取速度存储量和存取速度作为衡量作为衡量存储器性能的存储器性能的重要指标重要指标。（如。（如109位位/片，片，10ns）罐茅奥赔米汀孙收兵梯卓好泻虐阿苫蚜际教青祈酌粥引刁第蓉仰阔鸿心颂数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20242阜师院数科院 存储器实际上是将大量存储单元按一定规律结合起存储器实际上是将大量存储单元按一定规律结合起来的整体，它可以被比喻为一个由许多房间组成的大来的整体，它可以被比喻为一个由许多房间组成的大旅馆。每个房间有一个号码旅馆。每个房间有一个号码(地址码地址码)，每个房间内，每个房间内有一定内容有一定内容(一个二进制数码，又称一个一个二进制数码，又称一个“字字”)。半导体存储器的种类很多，从存储功能上讲，可分半导体存储器的种类很多，从存储功能上讲，可分为只读存储器（为只读存储器（Read Only Memory，简称，简称ROM）和）和随机存储器（随机存储器（Random Access Memory，简称，简称RAM）两大类。两大类。从构成元件来说，又分为双极型和从构成元件来说，又分为双极型和MOS型。但鉴型。但鉴于于MOS电路具有功耗低，集成度高等优点，目前大电路具有功耗低，集成度高等优点，目前大容量的存储器都是采用容量的存储器都是采用MOS电路制作的。电路制作的。仔槽柴威益汗且秤酵岔蜀部捌刷肢饯惕威昧洱斋憾妊湖很蓖甥慨络绒朵辫数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20243阜师院数科院7.2只读存储器只读存储器(ROM)7.2.1掩模只读存储器掩模只读存储器 在采用掩模工艺制作在采用掩模工艺制作ROM时，其中存储的数据是时，其中存储的数据是由制作过程中使用的掩模决定的。这种掩模板是按照由制作过程中使用的掩模决定的。这种掩模板是按照用户的要求而专门设计的。因此，掩模用户的要求而专门设计的。因此，掩模ROM在出厂时在出厂时内部存储的数据就已经内部存储的数据就已经“固化固化”在里面了，不可更改。在里面了，不可更改。ROM的电路结构包含存储矩阵、地址译码器和的电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个部分。输出缓冲器三个部分。躲妓淫尿绢袱壤皮本贡鄂觅史譬凌罐沈幌妊喧的行澳彩捂寸秋靖逛羡咳临数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20244阜师院数科院A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端存储存储矩阵矩阵输出输出电路电路位线位线字线字线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0译译码码器器疗探雪间羌遮克逞娥此娥栅遍则离驭叭帘婴苯真捐题掠控摧缔素逻酣匪茧数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20245阜师院数科院A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端假设假设：A1A0 1110001100二极管二极管或门或门矿赛镑涩许纳冒铰幻马撕樟宛痰消聪林绢承盼贮芽蹈唇锦享滋倡展汞溉斤数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20246阜师院数科院A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端1100二极管二极管或门或门1当某一字线当某一字线被选中时，被选中时，这个字线与这个字线与位线间若接位线间若接有二极管，有二极管，则该位线输则该位线输出为出为 1。休凿疮到浅朽决钟酬宣钡抖拆戍峭秤喂谍鳃斡非膘菱届蔓读捂载冕使么态数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20247阜师院数科院假设假设：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端0101A1A0 10刷昨涎弘妖忆邻赶颓芋肪鸣鹿宇好涸绳涩翰捻绳症膳肆叉漓盘誓摩劣墒耐数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20248阜师院数科院假设假设：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端0101A1A0 01叹成吱拐缨共轿缉怯嫌滞鞍焦瘸忘烦孪伎桓军鸟运竿堡温知数姆击充盲绪数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/20249阜师院数科院假设假设：A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端0011A1A0 00鹰甜伏峡鹅暴浦镇刚聊皑盼支蹦掇锰饼瓢纬谊栖镇稚叔椎啮仁皂亩荧涨堆数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202410阜师院数科院000101111111111000000001地地 址址A1A0D3D2D1D0内内 容容位线位线A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0D3D2D1D0-VCC译译码码器器K:输出输出控制端控制端字线字线 输入任意一个输入任意一个地址码，译码器地址码，译码器就可使与之对应就可使与之对应的某条字线为高的某条字线为高电平，进而可以电平，进而可以从位线上读出四从位线上读出四位输出数字量。位输出数字量。档掷灰融琼碎甚它柄埠疚挽窒汐琅挛花烁泥舵杖疽泳折磋弃湾妮冒眷拖反数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202411阜师院数科院 左图是左图是使用使用 MOS 管的管的ROM 矩阵：矩阵：有有 MOS 管的管的单元存储单元存储“1”，无无 MOS 管的管的单元存储单元存储“0”。.图图图图7.2.3 7.2.3 用用用用MOSMOS管构成的存储矩阵管构成的存储矩阵管构成的存储矩阵管构成的存储矩阵镜谜甘侣侠靳吹暂瓢综行沃皮下济笆汞夺衙类坏镀恐殴哄拐靡狂瞒装湿鼻数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202412阜师院数科院 7.2.2可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)有一种可编程序的有一种可编程序的 ROM，在出厂时全部存储，在出厂时全部存储“1”，用户可根据需要将某些单元改写为，用户可根据需要将某些单元改写为“0”,然而只能改写一次，称其为然而只能改写一次，称其为 PROM。若将熔丝烧若将熔丝烧断，该单元则变断，该单元则变成成“0”。显然，。显然，一旦烧断后不能一旦烧断后不能再恢复。再恢复。前两种存储器的存储内容在出厂时已被完全固前两种存储器的存储内容在出厂时已被完全固定下来，使用时不能变动，称为定下来，使用时不能变动，称为固定固定 ROM。剪帖钡谐尉矩搅二难匙邓这尉各扛俺惰承艺袱豫胁鹅奴威十巴或闸稿棒行数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202413阜师院数科院图图图图7.2.5 7.2.5 PROMPROM管的结构原理图管的结构原理图管的结构原理图管的结构原理图 编程时首先应编程时首先应输入地址代码，找输入地址代码，找出要写入出要写入0的单元的单元地址。地址。然后使然后使VCC和选中的字线提高和选中的字线提高到编程所要求的高到编程所要求的高电位电位，同时，同时在编程在编程单元的位线上加入单元的位线上加入编程脉冲编程脉冲（幅度约（幅度约20V，持续时间约，持续时间约十几微秒）。这时十几微秒）。这时写入放大器写入放大器AW的输的输出为低电平，低内出为低电平，低内阻状态阻状态，有较大的，有较大的脉冲冲击电流流过脉冲冲击电流流过熔丝，将熔丝，将其熔断其熔断。炙仿牡缸剑潮津慨涝艾英烁那倍奉冶匆裂孟馒手褐幂朴汰焦局蛆哮勋俘垦数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202414阜师院数科院 PROM 中的内容只能写一次，有时仍中的内容只能写一次，有时仍嫌不方便，于是又发展了一种可以改写多嫌不方便，于是又发展了一种可以改写多次的次的 ROM，简称，简称 EPROM。它所存储的。它所存储的信息可以用紫外线或信息可以用紫外线或 X 射线照射檫去，然射线照射檫去，然后又可以重新编制信息。后又可以重新编制信息。存储容量存储容量：是是 ROM 的主要技术指标之一，它的主要技术指标之一，它一般用一般用 存储字数：存储字数：2N 输出位数：输出位数：M 来表来表示示(其中其中N为存储器的地址线根数为存储器的地址线根数)。例如：例如：128(字字)8(位位)，1024(字字)8(位位)等等。等等。图图图图7.2.5 7.2.5 是一个是一个是一个是一个168168的的的的 PROM PROM。这里。这里。这里。这里168168是指是指是指是指其存储矩阵的容量。其存储矩阵的容量。其存储矩阵的容量。其存储矩阵的容量。话乐哼碟鸡狮设批汐杜求枫碌骑疚保菇印窥雪砚样谐拱酶蒸躺郧奏偿尘软数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202415阜师院数科院7.2.37.2.3可重复编程只读存储器可重复编程只读存储器(EPROM)(EPROM)UVEPROM(Ultra-Violet UVEPROM(Ultra-Violet Erasable Programmable ROMErasable Programmable ROM）1)1)叠栅注入叠栅注入MOSMOS管管原理：原理：在写入数据前在写入数据前：浮栅无电子，：浮栅无电子，SIMOSSIMOS管同正常管同正常MOSMOS管，开启电压为管，开启电压为V VT T。写数据时，需在漏、栅极之间加足够高的电压（如写数据时，需在漏、栅极之间加足够高的电压（如25V25V）使漏极与衬）使漏极与衬底之间的底之间的PNPN结反向击穿，产生大量的高能电子。这些电子穿过氧化结反向击穿，产生大量的高能电子。这些电子穿过氧化绝缘层堆积在浮栅上，从而是浮栅带有负电荷。浮栅有电子后，控绝缘层堆积在浮栅上，从而是浮栅带有负电荷。浮栅有电子后，控制栅需要加更大正压才能使管子开启，开启电压为制栅需要加更大正压才能使管子开启，开启电压为V VT T。（。（Stacked-Stacked-gate Injection Metal-Oxide-Semigate Injection Metal-Oxide-Semi）VgsiD0VT VT 恩差馏慎敞戮酮悟研魔觅性瘴椭柿袜风乐擎仇萌芳椿粪伏亨镁敝囱愈胆烘数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202416阜师院数科院2)2)叠栅型叠栅型EPROMEPROM工作原理工作原理 图图7.2.9中写入数据时漏极和中写入数据时漏极和控制栅极的控制电路没有画出。控制栅极的控制电路没有画出。这是一个这是一个25612561位的位的EPROMEPROM，256256个存储单元排列成个存储单元排列成16161616矩阵。输入地址的高矩阵。输入地址的高4 4位加到行地址译码器上，从位加到行地址译码器上，从1616行存储单元中选出要读的一行。行存储单元中选出要读的一行。输入地址的低输入地址的低4 4位加到列地址位加到列地址译码器上，再从选中的一行存译码器上，再从选中的一行存储单元中选出要读的一位。储单元中选出要读的一位。浮置栅上注入了电荷的浮置栅上注入了电荷的SIMOS管相当于写入了管相当于写入了1，未注入电荷的相当与存入了未注入电荷的相当与存入了0。出厂时，全部单元存出厂时，全部单元存“1”“1”。疥叠吮猾擂千裂吝户酷厂夫甜搂耶糖妒挚党帧睡侯望蒂驳师俗使枪厚檀汉数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202417阜师院数科院3)EPROM3)EPROM实例介绍（实例介绍（27162716）结结构构及及引引脚脚.A0A1A2A3行行地地址址译译码码器器行行地地址址缓缓冲冲器器列地址译码器列地址译码器列地址缓冲器列地址缓冲器读出放大器读出放大器输出缓冲器输出缓冲器片选片选,功耗降低功耗降低和编程逻辑和编程逻辑CS_PD/PGMVppA4A5A6A7A8A9A10D7D6D5D4D3D2D1D0毡札偏末衬左心佃恬踪棉套镶汪斋晃誉诱帛丙讨纸清麓囱厄杠匣驴格聚洱数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202418阜师院数科院 2716 2716的工作方式的工作方式out葱膘米嗽肖增饲抓褂吻秩汉纲存詹迁例辅剔逃汹脖腆扦及蕊溢搬硅囚蔓熔数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202419阜师院数科院 EEPROMEEPROM浮栅隧道氧化层浮栅隧道氧化层MOSMOS管（管（Floating gate Tunnel Oxide,Floating gate Tunnel Oxide,简称简称Flotox）Flotox管管 与与SIMOS管相似，它也属于管相似，它也属于N沟道增强型的沟道增强型的MOS管，管，并且有两个栅极并且有两个栅极控制栅控制栅GC和浮置栅和浮置栅Gf。所不同的是。所不同的是Flotox管的浮管的浮置栅与漏区之间有一个氧化层置栅与漏区之间有一个氧化层极薄的极薄的区域区域。这个区域称为隧道区。这个区域称为隧道区。虽然用紫外线擦除的虽然用紫外线擦除的EPROMEPROM具备了可擦除重写的功能，但擦具备了可擦除重写的功能，但擦除操作复杂，擦除速度慢。为了克服这些缺点，又研制出了用除操作复杂，擦除速度慢。为了克服这些缺点，又研制出了用电可擦的可编程电可擦的可编程ROMROM。溜拟个截卸橇惊评哀狸氰罐忠样差柴浊万觉亚孝败多辑父悠棚贬锐歪财毗数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202420阜师院数科院当隧道区的电场强度大到一定的时候，便在漏区和浮置栅之间当隧道区的电场强度大到一定的时候，便在漏区和浮置栅之间出现导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。这种现象称为出现导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。这种现象称为隧道效应。隧道效应。为了提高擦、写的可靠性，并保护隧道区超薄氧化层，在为了提高擦、写的可靠性，并保护隧道区超薄氧化层，在EEPROMEEPROM的存储单元中除的存储单元中除FlotoxFlotox管外还附加了一个管外还附加了一个选通管选通管，如图，如图7.2.117.2.11所示。所示。根据根据Flotox管的浮管的浮置栅上是否存有电荷置栅上是否存有电荷来区分单元的来区分单元的1或或0状状态。态。EEPROM在出厂时各在出厂时各存储单元均为存储单元均为1状态。状态。锋激奔壁爷词憾朱程禾送禽溃琳结盲箱郊学冲贰繁功滔状氨盼啼掂桑椅槐数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202421阜师院数科院图图图图7.2.12 7.2.12 E E2 2 PROM PROM存储单元的三种工作状态（存储单元的三种工作状态（存储单元的三种工作状态（存储单元的三种工作状态（a a）读出状）读出状）读出状）读出状态态态态 （b b）擦除（写）擦除（写）擦除（写）擦除（写1 1）状态）状态）状态）状态 （c c）写入（写）写入（写）写入（写）写入（写0 0）状态）状态）状态）状态在读出状态下，在读出状态下，GC上加上加3V电压，字线电压，字线Wi给出给出5V的正常高电的正常高电平平，如图，如图7.2.12(a)所示。这时选通管所示。这时选通管T2导通，如果导通，如果Floatox管管的浮置栅上充有负电荷，则的浮置栅上充有负电荷，则T1截止，截止，Bi上读出上读出1。在擦除状态下，在擦除状态下，Flotox管的控制栅管的控制栅GC上加上加20V左右、宽度约左右、宽度约10ms的脉冲电压，漏区接的脉冲电压，漏区接0电平电平。这时经。这时经GC-Gi间电容和间电容和Gi-漏漏区电容分压在隧道区产生强电场，区电容分压在隧道区产生强电场，吸引漏区的电子通过隧道区吸引漏区的电子通过隧道区到达浮置栅，形成存储电荷到达浮置栅，形成存储电荷，使，使Flotox管的开启电压提高到管的开启电压提高到7V以上，成为高开启电压管（表示写了以上，成为高开启电压管（表示写了1）。读出时）。读出时GC上的电压上的电压只有只有3V，Flotox管不会导通。管不会导通。甩稍赞症居会磺苛鉴片司木鬃弹力意挞牟辣抢哈晓弗铃患眺辕拿评萍念蔷数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202422阜师院数科院 在写入状态下，应使写入在写入状态下，应使写入0的那些存储单元的的那些存储单元的Flotox管浮置栅管浮置栅放电。为此，在写入放电。为此，在写入0时令控制栅时令控制栅GC C为为0电平，同时在字线电平，同时在字线Wi和和位线位线Bi上加上加20V左右、宽度约左右、宽度约10ms的脉冲电压的脉冲电压。这时浮置栅上。这时浮置栅上的存储电荷将通过隧道区的存储电荷将通过隧道区放电放电，使，使Flotox管的开启电压降为管的开启电压降为0V左右，成为低开启电压管（左右，成为低开启电压管（表示写了表示写了0）。读出时，）。读出时，GC上加上加3V电压，电压，Flotox管为导通状态。管为导通状态。EEPROM是按字节写入或擦除的。是按字节写入或擦除的。虽然虽然EEPROM改用电压信号擦除了，但由于擦除和写入时改用电压信号擦除了，但由于擦除和写入时需要加高压脉冲，而且擦、写的时间仍叫长，所以在系统正需要加高压脉冲，而且擦、写的时间仍叫长，所以在系统正常工作状态下，常工作状态下，EEPROM仍然只能工作在它的读出状态，作仍然只能工作在它的读出状态，作ROM使用。使用。3、快闪存储器（、快闪存储器（Flash Memory）从上面对从上面对EEPROM的介绍中可以看出，为了提高擦除和写的介绍中可以看出，为了提高擦除和写入的可靠性，入的可靠性，EEPROM的存储单元用了两只的存储单元用了两只MOS管。这无管。这无疑将限制了疑将限制了EEPROM的集成度的进一步提高。快闪存储器采的集成度的进一步提高。快闪存储器采用了类似于用了类似于EPROM的单管叠栅结构的存储单元，制成了新的单管叠栅结构的存储单元，制成了新一代用电可擦可编程一代用电可擦可编程ROM。守趾源宅降俞难殆度赢晋险漠扫冉讶老稼嘲效矩氢活窑岗穿帐帚衅伍岂磨数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202423阜师院数科院 快闪存储器既吸收了快闪存储器既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又结构简单、编程可靠的优点，又保留了保留了EEPROM用隧道效应擦除的快捷性，而且集程度可以作用隧道效应擦除的快捷性，而且集程度可以作得很高。得很高。图图图图7.2.13 7.2.13 快闪存储器中的叠栅快闪存储器中的叠栅快闪存储器中的叠栅快闪存储器中的叠栅MOSMOS管管管管 快闪存储器中的叠快闪存储器中的叠快闪存储器中的叠快闪存储器中的叠栅栅栅栅MOSMOS管的结构与管的结构与管的结构与管的结构与EPROMEPROM中的中的中的中的SIMOSSIMOS管极为相似管极为相似管极为相似管极为相似，两者最大的，两者最大的，两者最大的，两者最大的区别是浮置栅与衬低间氧化层的厚区别是浮置栅与衬低间氧化层的厚区别是浮置栅与衬低间氧化层的厚区别是浮置栅与衬低间氧化层的厚度度度度。在。在。在。在EPROMEPROM中这个氧化层的厚度一般为中这个氧化层的厚度一般为中这个氧化层的厚度一般为中这个氧化层的厚度一般为3040mm3040mm，而在，而在，而在，而在克海废摇庆乡卡会毁摇舵命内嗅昆孟秤碱祁彦同铆傻芥揣命跋肄谆淖吮钦数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202424阜师院数科院闪存储器中闪存储器中仅为仅为1015mm。而且浮置栅与源区。而且浮置栅与源区重叠的部分重叠的部分是由是由源区的横向扩散形成的，源区的横向扩散形成的，面积极小面积极小，因而，因而浮置栅浮置栅-源区间的电容源区间的电容要比要比浮置栅浮置栅-控制栅间的电容小得多控制栅间的电容小得多。当控制栅和源极间加上电。当控制栅和源极间加上电压时，压时，大部分电压都将大部分电压都将降在浮置栅与源极之间的电容上降在浮置栅与源极之间的电容上。这。这有有利于提高擦、写速度利于提高擦、写速度。快闪存储器的存储单元就是用这样一只快闪存储器的存储单元就是用这样一只管子组成的。管子组成的。在读出状态下在读出状态下，字线给出，字线给出5V的逻辑高电平，存储单元公的逻辑高电平，存储单元公共端共端VSS为为0电平。如果电平。如果浮置栅浮置栅上上没有充电没有充电，则叠栅，则叠栅MOS管管导通导通，位线上，位线上输出低电平输出低电平；如果如果浮置栅上浮置栅上充有负电荷充有负电荷，则则叠栅叠栅MOS管管截止截止，位线上，位线上输出高电平输出高电平。冀署嗡堤苇害估浇户评蒲秘兽压焦敝涅欣莆诌眨蛤鬼垒殖价裙诅楔番润敌数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202425阜师院数科院 快闪存储器的写入方法和快闪存储器的写入方法和EPROMEPROM相同相同，即利用雪崩注入的，即利用雪崩注入的方法使浮置栅充电。在写入状态下，叠栅方法使浮置栅充电。在写入状态下，叠栅MOSMOS管的漏极经位线管的漏极经位线接至一个较高的正电压（一般为接至一个较高的正电压（一般为6V6V），），V VSSSS接接0 0电平，同时在控电平，同时在控制栅加一个幅度制栅加一个幅度12V12V左右、宽度约左右、宽度约1010S S的正脉冲。这时的正脉冲。这时D-SD-S间间将发生雪崩击穿，一部分速度高的电子便穿过氧化层到达浮将发生雪崩击穿，一部分速度高的电子便穿过氧化层到达浮置栅，形成浮置栅充电电荷。置栅，形成浮置栅充电电荷。浮置栅充电后，叠栅浮置栅充电后，叠栅MOSMOS管的开管的开启电压为启电压为7V7V以上，字线为正常电平时不会导通以上，字线为正常电平时不会导通。快闪存储器的擦除操作是利用隧道效应进行的快闪存储器的擦除操作是利用隧道效应进行的，在这一点上，在这一点上又类似于又类似于EEPROM写入写入0时的操作。在擦除状态下，令控制栅时的操作。在擦除状态下，令控制栅处于处于0电平，同时在源极电平，同时在源极VSS加入幅度为加入幅度为12V左右、宽度约左右、宽度约100ms的正脉冲。这时在浮置栅与源区间极小的重叠部分产生隧道效的正脉冲。这时在浮置栅与源区间极小的重叠部分产生隧道效应，使浮置栅上的电荷经隧道区释放。应，使浮置栅上的电荷经隧道区释放。浮置栅放电后，叠栅浮置栅放电后，叠栅MOS管的开启电压在管的开启电压在2V以下，在它的控制栅上加以下，在它的控制栅上加5V的电压时一的电压时一定会导通。定会导通。由于片内由于片内所有叠栅所有叠栅MOS管的源极是连在一起管的源极是连在一起的，所以的，所以全部全部存储单元同时被擦除存储单元同时被擦除。这也是它不同于。这也是它不同于EEPROM的一个特点。的一个特点。斥啪宁碗傣烙价今勾滑智止眨盼硷播逾显邯迭滦你宜貌涂悠恰漆突疚鹿霉数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202426阜师院数科院7.3 读写存储器读写存储器(RAM)读写存储器又称读写存储器又称随机存取存储器随机存取存储器。读写存储器的特点是：在工作过程中，读写存储器的特点是：在工作过程中，既可从存储器的任意单元读出信息，又可以既可从存储器的任意单元读出信息，又可以把外界信息写入任意单元，因此它被称为随把外界信息写入任意单元，因此它被称为随机存取存储器，简称机存取存储器，简称 RAM。Random Access Memory.RAM 按功能可分为按功能可分为 静态静态、动态动态两类；两类；RAM 按所用器件又可分为双极型和按所用器件又可分为双极型和 MOS型两种。型两种。为了便于连接成为小系统，它的输出都为了便于连接成为小系统，它的输出都采用三态方式，由片选端控制。采用三态方式，由片选端控制。龟蘸售枪瑶枪兰报德饼推嘿臣术藐抓冯钩江没滔墟恼执燕喘烛勿睦睹蔗膝数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202427阜师院数科院一、一、SRAM的结构和工作原理的结构和工作原理7.3.1静态随机存储器静态随机存储器(SRAM)钦梨拨裂募彪雏腔翻尖饰察模呼滩其值运捉裤钾航险豆笛粮冲肢觅袱显暇数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202428阜师院数科院图图图图7.3.2 1024 7.3.2 1024 4 4位位位位RAMRAM（21142114）的结构框图）的结构框图）的结构框图）的结构框图叹羊爆捡乌喀归苞隐痛涂啥喉帜沉澡续峭徒涪缸梦紧愉呛冯献桥速榷恩吻数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202429阜师院数科院二、静态存储单元二、静态存储单元WiDD符号符号图图图图7.3.3 7.3.3 六管六管六管六管NMOSNMOS静态存储单元静态存储单元静态存储单元静态存储单元载好常惰翼佃忘捏虱登确械漓垄搏倒涯讼取乾垦静悬八饲呻娩沁违旨漂随数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202430阜师院数科院介绍基本存储单元的工作原理介绍基本存储单元的工作原理:VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1字线字线数数据据线线数数据据线线VCCT2T1T3T4 由增强型由增强型 NMOS管管T1和和 T2、T3和和T4 构构成一个基本成一个基本 R-S触发器，触发器，它是它是存储信息的基存储信息的基本单元。本单元。鼠悦虎恨牛豹榆郎息竭铝维希淘苯品眼镍厕多叠和送檄梢脑校豢措乒讳榷数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202431阜师院数科院VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6QQT1字线字线数数据据线线数数据据线线 T5和和T6是是门控管，门控管，由字由字线线Wi控制其导控制其导通或截止：通或截止：Wi1，否则就截止。否则就截止。T5T6两管导通；两管导通；门控管门控管T5和和T6导通时可导通时可以进行以进行“读读”或或“写写”的操的操作：作：春垣淆原被诬妨厦鸟论诲微居螟恍炳索税戏拔堡嘉只喇越屋酮信敏畏摸乙数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202432阜师院数科院VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6T1字线字线数数据据线线数数据据线线 R/W的控制作用：的控制作用：=0时，时，R/W而门而门2处于处于高阻状态，高阻状态，0 三态门三态门1、3接通，接通，00 使使 I/O 信信号得以经号得以经过门过门1、3送到数据送到数据线上，以线上，以便便写入写入。码桓次楷艳磐臣量关砸稀漓匠泄初壳郡磅酚隘的贪渺鬼靖扳楔撂就曾尸柄数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202433阜师院数科院VCCWiDDI/OR/W123T2T3T4T5T6T1字线字线数数据据线线数数据据线线 R/W的控制作用：的控制作用：R/W 1 时，时，门门1、3处于处于高阻状态，高阻状态，1门门2接通，接通，1将数据线将数据线上电位送上电位送到到 I/O，以便，以便读读出出。1甲弊伴矗剔心颠庞烤励底屹茬梢肩寻氯颇咯檀赐根梢蜀肆疼胺句淌母地铁数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202434阜师院数科院7.3.2动态随机存储器动态随机存储器(DRAM)静态静态RAM存储单元所用的管子多，功耗大，集成度受到限制存储单元所用的管子多，功耗大，集成度受到限制，为了克服这些缺点，人们研制了动态为了克服这些缺点，人们研制了动态RAM。动态动态RAM存储数据存储数据的原理是基于的原理是基于MOS管栅极电容存储效应管栅极电容存储效应。由于漏极电流的存在，。由于漏极电流的存在，电容上存储的数据不能长久保存，因此电容上存储的数据不能长久保存，因此必须定期给电容补充电必须定期给电容补充电荷，以避免存储数据的丢失，这种操作称为再生或刷新荷，以避免存储数据的丢失，这种操作称为再生或刷新。一、一、DRAM存储单元电路（四管、三管和单管三种）存储单元电路（四管、三管和单管三种）1、三管动态三管动态MOS存储单元电路存储单元电路视冲处诛侄漠蔫祸掣点塔舞筑篆腥稠学恿赖咏幂可各粥虞罕椒擂尉檄差耙数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202435阜师院数科院 在三管动态在三管动态MOS存储单元电路中，存储单元电路中，信号以电荷形式信号以电荷形式存储在存储在T2管的栅极电容管的栅极电容C之中之中。电容上的电压。电容上的电压VC控制着控制着T2的开关状态，给出位线上的高、低电平。的开关状态，给出位线上的高、低电平。控制读和写控制读和写的字线和位线是分开的的字线和位线是分开的。读的字选线控制着。读的字选线控制着T3管的开关管的开关状态，写的字选线控制着状态，写的字选线控制着T1管的开关状态。管的开关状态。T4是同一列是同一列存储单元公用的预充电存储单元公用的预充电MOS管。管。进行读操作时进行读操作时，首先，首先将读位线预充到高电平将读位线预充到高电平，然后，然后令读字线为高电平令读字线为高电平，使，使T3管导通。管导通。如果如果C上充有正电上充有正电荷，而且荷，而且VC大于大于T2的开启电压，则的开启电压，则T2管导通管导通，读位线，读位线上的电容上的电容CB经经T3和和T2放电，使放电，使位线输出低电平位线输出低电平。如果如果C上没有充电上没有充电，则，则T2截止，截止，CB没有放电通路，没有放电通路，位线维位线维持预充的高电平持预充的高电平。位线的高、低电平经读出放大器。位线的高、低电平经读出放大器反反相放大后相放大后送到输出端，即读出的数据。送到输出端，即读出的数据。衣哨鸯钱晨仕痈肯爬吸洲麦旦玄洼牟案倚序谨玩己姜衔域宅难汲娱络渍朗数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202436阜师院数科院 进行写操作时，令写字线为高电平，于是进行写操作时，令写字线为高电平，于是T1管导管导通，输入的数据加到写位线上，通过通，输入的数据加到写位线上，通过T1与与T2管的栅管的栅极电容极电容C接通，于是便将输入的高、低电平信号存接通，于是便将输入的高、低电平信号存储到储到C上面。上面。在读出时位线上的电压信在读出时位线上的电压信号与电容号与电容C上的电压信号相上的电压信号相位相反，而在写入时位线上位相反，而在写入时位线上的电压信号与的电压信号与C上的电压信上的电压信号同相。为了周期性地对存号同相。为了周期性地对存储单元刷新，必须先将储单元刷新，必须先将C上上存储的电压信号读出，反相存储的电压信号读出，反相后再重新写入。后再重新写入。2、单管动态、单管动态MOS存储单存储单元电路元电路形凛眶肃纂沟讲钮伎打伺讼辙趣镭辕襟埋十楚饭掂哗毅谷锣糜腿销随晦呵数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202437阜师院数科院 单管动态单管动态MOS存储单元电路由一只存储单元电路由一只N沟道增强沟道增强型型MOS管管T和一个电容和一个电容CS组成。组成。在进行写操作时，字线给出高电平，使在进行写操作时，字线给出高电平，使T导通，导通，位线上的数据便经过位线上的数据便经过T被存入被存入CS中。中。在进行读操作时，字线同样应给出高电平，并使在进行读操作时，字线同样应给出高电平，并使T导通。这时导通。这时CS经经T向位线上的电容向位线上的电容CB提供电荷，使提供电荷，使位线获得读出的信号电平。设位线获得读出的信号电平。设CS上原来存有电荷，上原来存有电荷，电压电压VCS为高电平，而位线电位为高电平，而位线电位VB=0，则执行读操，则执行读操作以后位线电平将上升为作以后位线电平将上升为因为在实际的存储电路中位线上总是同时接有很多因为在实际的存储电路中位线上总是同时接有很多存储单元，使存储单元，使CB CS，所以位线上读出的电压信，所以位线上读出的电压信号很小。号很小。鸳铀歪刊宫松骸格硝玄蹈穗单层亮桃奏未溉籽凹谅医峨宛帜押哼咯坚舍挑数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202438阜师院数科院 例如读出操作前例如读出操作前VCS=5V，CS/CB=1/50，则位线上的，则位线上的读出信号将仅有读出信号将仅有0.1V。而且在读出以后。而且在读出以后CS上的电压也上的电压也只剩下只剩下0.1V，所以这是一种破坏性读出。因此，需要，所以这是一种破坏性读出。因此，需要在在DRAM中设置灵敏的读出放大器，一方面将读出信中设置灵敏的读出放大器，一方面将读出信号加以放大，另一方面将存储单元里原来存储的信号号加以放大，另一方面将存储单元里原来存储的信号恢复。恢复。二、灵敏恢复二、灵敏恢复/读读出放大器出放大器DRAM中的单管动态存中的单管动态存储单元也是按行、列排储单元也是按行、列排成矩阵式结构的，并且成矩阵式结构的，并且在每根位线上接有灵敏在每根位线上接有灵敏恢复恢复/读出放大器。读出放大器。蜡猎哈拭院逐锌诊庸仲靠虽芦鞋唇岳窃浙亿歧坟伦既咬低厦酮茅落超酚观数字电路第7章半导体存储器数字电路第7章半导体存储器5/16/202439阜师院数科院灵敏恢复灵敏恢复/读出放大器包含一个由读出放大器包含一个由T1T4组成的锁存器和三个控组成的锁存器和三个控制管制管T 5、T 6 和和T7 放大器的一个输出端与位线放大器的一个输出端与位线B和存储单元相和存储单元相连，另一输出端接至一个虚单元上。虚单元的存储电容连，另一输出端接至一个虚单元上。虚单元的存储电容CF上存上存入一个介于高、低电平之间的参考电平入一个介于高、低电平之间的参考电平VR.图图图图7.3.10 7.3.10 灵敏恢复灵敏恢复灵敏恢复灵敏恢复/读出放大器的读出过程读出放大器的读出过程读出放大器的读出过程读出放大器的读出过程 （a a）读出）读出）读出）读出0 0的情况的情况的情况的情况 （b b）读出）读出）读出）读出1 1的情况的情况的情况的情况 读出过程是在一组顺序产生读出过程是在一组顺序产生的时钟信号控制下进行的。的时钟信号控制下进行的。首先首先R、F给出正脉冲，使给出正脉冲，使T 5、T 6 和和T7 导通，位线导通，位线B、B和和CF均被充电至均被充电至VR。当字。当字线选通脉冲线选通脉冲W到达后，存储到达后，存储单元的开关管单元的开关管T S和虚单元的和虚单元的开关管开关管TF同时都导通。同时都导通。如果如果CS上没有存储电荷，则上没有存储电荷，则CB经经TS向向CS放电，放电，vCs上升，而位线上升，而位线B的电位逐渐下降。当时钟信号的电位逐渐下降。当时钟信号S到达后，位线到达后，