數字電子技術--第9章-半導體存儲器

1、第 9 章　半導體存儲器,數字電子技術,范立南 田丹 李雪飛 張明 編著清華大學出版社,,本章知識結構圖,第9章 半導體存儲器,? 9.1 只讀存儲器? 9.2 隨機存取存儲器? 9.3 存儲器容量的擴展? 9.4 實例電路分析：存儲系統的設計,例如計算機中的自檢程序、初始化程序便是固化在 ROM 中的。計算機接通電源后，首先運行它，對計算機硬件系統進行自檢和初始化，自檢通過后，裝入操作系統，計算機才能正常工作。

2、,9.1.1 ROM的定義與基本結構,只讀存儲器(ROM，即Read-Only Memory),ROM 在工作時只能讀出信息而不能寫入信息。它用于存放固定不變的信息，斷電后其數據不會丟失。常用于存放程序、常數、表格等。,9.1　只讀存儲器,按數據寫入方式不同分,ROM 的類型及其特點,寫入的數據可電擦除，用戶可以多次改寫存儲的數據。使用方便。,其存儲數據在制造時確定，用戶不能改變。用于批量大的產品。,其存儲數據由用戶寫入。但只能寫一次

3、。,寫入的數據可用紫外線擦除，用戶可以多次改寫存儲的數據。,9.1.2 掩膜ROM 掩膜ROM制成后，用戶不能修改，圖9.1為一個簡單的4×4位MOS管ROM，采用單譯碼結構。兩位地址線A1、A0譯碼后可譯出四種狀態，輸出4條選擇線，分別選中4個單元，每個單元有4位輸出。,圖9.1 掩膜ROM電路原理圖,在圖中所示的矩陣中，行和列的交點，有的連有管子，有的沒有，這是工廠根據用戶提供的程序對芯片圖形(掩膜)進行

4、二次光刻所決定的，所以稱為掩膜ROM。若地址線A1A0=00，則選中0號單元，即字線0為高電平，若有管子與其相連(如位線2和0)，其相應的MOS管導通，位線輸出為0，而位線1和3沒有管子與字線相連，則輸出為1。故存儲器的內容取決于制造工藝，。,9.1.3 可編程ROM在某些應用中，程序需要經常修改，因此能夠重復擦寫的EPROM被廣泛應用。這種存儲器利用編程器寫入后，信息可長久保持，因此可作為只讀存儲器。當其內容需要變更時，可利用擦除

5、器(由紫外線燈照射)將其擦除，各單位內容復原為FFH，再根據需要利用EPROM編程器編程，因此這種芯片可反復使用。,1. EPROM(1)存儲單元電路和工作原理 通常EPROM存儲電路是利用浮柵MOS管構成的，又稱FAMOS管(Floating gate Avalanche Injection Metal-Oxide-Semiconductor，即浮柵雪崩注入MOS管)，其構造如圖9.2(a)所示。,圖9.2 浮柵

6、MOS EPROM存儲電路,該電路和普通P溝道增強型MOS管相似，只是浮柵管的柵極沒有引出端，而被SiO2絕緣層所包圍，稱為“浮柵”。在原始狀態，該管柵極上沒有電荷，沒有導通溝道，D和S是不導通的。如果將源極和襯底接地，在襯底和漏極形成的PN結上加一個約24 V的反向電壓，可導致雪崩擊穿，產生許多高能量的電子，這些電子比較容易越過絕緣薄層進入浮柵。注入浮柵的電子數量由所加電壓脈沖的幅度和寬度來控制，如果注入的電子足夠多，這些負電子在硅表

7、面上感應出一個連接源—漏極的反型層，使源—漏極呈低阻態。當外加電壓取消后，積累在浮柵上的電子沒有放電回路，因而在室溫和無光照的條件下可長期地保存在浮柵中。,將一個浮柵管和MOS管串起來組成如圖9.2(b)所示的存儲單元電路。于是浮柵中注入了電子的MOS管源—漏極導通，當行選線選中該存儲單元時，相應的位線為低電平，即讀取值為“0”，而未注入電子的浮柵管的源—漏極是不導通的，故讀取值為“1”。在原始狀態(即廠家出廠)，沒有經過編程，浮柵中沒

8、注入電子，位線上總是“l”。,（2）編程和擦除過程消除浮柵電荷的辦法是利用紫外線光照射，由于紫外線光子能量較高，從而可使浮柵中的電子獲得能量，形成光電流從浮柵流入基片，使浮柵恢復初態。EPROM芯片上方有一個石英玻璃窗口，只要將此芯片放入一個靠近紫外線燈管的小盒中，一般照射10分鐘左右，讀出各單元的內容均為FFH，則說明該EPROM已擦除。,圖9.3 2764A功能框圖,但把A9引腳接至11.5～12.5 V的高電平，則2764A處

9、于讀Intel標識符模式。要讀出2764A的編碼必須順序讀出兩個字節，先讓A1～A8全為低電平，而使A0從低變高，分兩次讀取2764A的內容。當A0=0時，讀出的內容為制造商編碼(陶瓷封裝為89H，塑封為88H)，當A0=1時，則可讀出器件的編碼(2764A為08H，27C64為07H)。,9.1.4電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM) EPROM的優點是一塊芯片可多次使用，缺點是整個芯片雖只寫錯一位，也必須從電路板上

10、取下擦掉重寫，因而很不方便的。在實際應用中，往往只要改寫幾個字節的內容，因此多數情況下需要以字節為單位進行擦寫，而EEPROM在這方面具有很大的優越性。,9.1.5 ROM的讀操作與時序圖,1．最小模式下的總線讀操作,,2．最大模式下的讀/寫總線周期,,9.2 隨機存取存儲器,9.2.1 靜態隨機存取存儲器,1．SRAM的基本存儲電路,2．SRAM的讀寫過程,3．典型SRAM芯片,常用的SRAM芯片有2114(1K×4)

11、、2142(1K×4)、6116(2K×8)、6232(4K×8)、6264(8K×8)、和62256(32K×8)等。,9.2.2 動態隨機存取存儲器(DRAM),1．基本存儲電路,9.3 存儲器容量的擴展,采用多片ROM/RAM經擴展后組成容量更大的ROM/RAM存儲以滿足系統的需要。芯片數量的選擇由系統要求的容量(M ×N)和單片容量(m ×n)來決定，其計

12、算方法如下。已知系統要求的內存容量為M× N(字長或位數)，現有單片ROM/RAM的容量為m(字數) n(字長或位數)。所需單片ROM/RAM的數量計算原則如下。計算原則：M ≥m，N ≥n根據字數計算所需單片數：M/m (取整數)根據字長或位數計算所需單片數：N/n (取整數)總片數,9.3.1 位擴展方式,若單片ROM/RAM的字數滿足系統內存總的字數要求，而每個字的字長或位數不夠用時，則采用位擴展方式。位擴展

13、后的存儲器字數沒改變而位數增加，存儲器容量相應增加。,9.3.2 字擴展方式,若每一片ROM/RAM的數據位數夠，而字數不能滿足系統內存總的字數要求，則采用字擴展方式。字擴展后的存儲器數據位數或字長沒有變，而字數增加，存儲器容量相應增加。,9.3.3 字、位同時擴展,當單片ROM/RAM的字數和位數都不夠時，就要采用字位擴展方式?！纠?-4】用1K 4位RAM擴展成一個4K 8位的存儲器。解：① 確定芯片數：② 確定地址線數D

14、：2D =4096 D=12③ 用8片1K 4位RAM芯片，位擴展不需要增加地址線數，而字擴展則需要增加地址線數。RAM原有10條地址線，現增加兩條地址線A11、A10，利用2線4-線譯碼器將A11、A10的四組不同代碼輸入譯成4路低電平信號 ，分別接到RAM的 端。與字擴展相同，并接的2片RAM的8條數據線可分別做為字位擴展的存儲器的8條數據輸入/輸出線。,9.4 實例電路分

15、析：存儲系統的設計,某8位微機有地址總線16根，雙向數據總線8根，控制總線中與主存相關的有“允許訪存”信號 (低電平有效)和讀/寫控制信號 (高電平讀、低電平寫)。試用SRAM芯片2114為該機設計一個8KB的存儲器并畫出連接框圖。,,,半導體存儲器由許多存儲單元組成，每個存儲單元可存儲一位二進制數 。根據存取功能的不同，半導體存儲器分為只讀存儲器(ROM)和隨機存取存

16、儲器(RAM)，兩者的存儲單元結構不同。ROM 屬于大規模組合邏輯電路，RAM 屬于大規模時序邏輯電路。,本 章 小 結,ROM 用于存放固定不變的數據，存儲內容不能隨意改寫。工作時，只能根據地址碼讀出數據。斷電后其數據不會丟失。ROM有固定 ROM(又稱掩膜 ROM) 和可編程 ROM之分。固定 ROM 由制造商在制造芯片時，用掩膜技術向芯片寫入數據，而可編程 ROM 則由用戶向芯片寫入數據?？删幊?ROM 又分為一次可編程的 PRO

17、M 和可重復改寫、重復編程的 EPROM 和 E2PROM。EPROM 為電寫入紫外擦除型，E2PROM 為電寫入電擦除型，后者比前者快捷方便?？删幊?ROM 都要用專用的編程器對芯片進行編程。,,RAM 由存儲矩陣、譯碼器和讀/寫控制電路組成。它可以讀出數據或改寫存儲的數據，其讀、寫數據的速度很快。因此，RAM 多用于需要經常更換數據的場合，最典型的應用就是計算機中的內存。但是， RAM 斷電后數據將丟失。,,RAM 可位擴展或字擴展