第八章 半导体存储器了解存储器的结构功能和特点
8.0 存储器概述存储器 —— 存放 大量 二进制数字的器件。
按材料分类
1) 磁介质类 —— 软磁盘、硬盘、磁带
2) 光介质类 —— CD,DVD,MO
3) 半导体介质类 —— FLASH ROM,SDRAM,EEPROM
按功能分类主要分 RAM和 ROM两类，不过界限逐渐模糊
RAM,SDRAM,磁盘，
ROM,CD,DVD,FLASH ROM,EEPROM
本课主要讲述半导体介质类器件性能指标
1)存储容量 —— 字数 X位数； 256X8bit=256字节，一般用位数表示,xxx256表示 256(k)bit=32(k)*8=32(k)字节
2) 存取时间 —— 存储器操作的速度
8.1 随机存储器 RAM
RAM—— 在工作过程中，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，因此它被称为随机存储器，读写速度很快。但一般有易失性，数据掉电后就消失 (也有非易失性的 RAM,实际上类似于
ROM)。
RAM 按功能可分为 静态、动态两类；
RAM 按所用器件又可分为双极型和 MOS型两种。
1.存储器的基本结构存储器的每个存储单元是一个单元电路，由于存储器的容量巨大，一般都把存储单元排列成矩阵形式。分行列译码，用两条线来共同选择存储单元。
A0
A1
A2
A3
CSX0
CSX1
CSX15
行地址译码器
……
列地址译码器
A4 A5 A6 A7
CSY0 CSY1 CSY15
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
……
CS0
CS1
CS255
地址译码器存储器阵列
0
1
255
0
1
15
16
17
32
32
241
255
256条选择线
32条选择线
A0
Ai
行地址译码器
…..
列地址译码器
Ai+1 An-1……
存储矩阵读写控制电路
CS
R/W
I/O
地址输入 控制输入数据输入 /输出存储器有三组输入信号,地址输入、控制输入 和 数据输入一组输出信号,数据输出一般在存储器中都使用双译码形式，就是如图的地址分成行列两组的形式，以简化电路静态 RAM存储单元 (SRAM)
六管 NMOS存储单元
Y
X
T3 T4
T2T1
T5 T6
T8T7
D D
A B
T1,T3构成一个 NMOS反相器
B为输入,A为输出
T2,T4构成一个 NMOS反相器
A为输入,B为输出
I
O
VDD
B A
线与
A
A
B
D
DD
D
B
Y
X
T3 T4
T2T1
T5 T6
T8T7
D D
A B
触发器构成的存储单元的内部输入 /输出 A,B
A经 T5,T7连接数据线 D
B经 T6,T8连接数据线 D
只有 X,Y选择线都是高电平，内部输入、输出才和外部数据线连接，也就是该存储单元被选中。
行选择线 X控制 T5,T6
X=1时 T5,T6导通
X=0时 T5,T6截止列选择线 Y控制 T7,T8
Y=1时 T7,T8导通
Y=0时 T7,T8截止
CMOS六管存储单元原理与 NMOS六管静态存储单元类似：
以 CMOS反相器的原理用 T1~T4构成一个基本
RS触发器，其中 T1,T3
构成一个 CMOS反相器,T2,T4构成另一个。
其他 MOS管构成连接控制。
静态存储单元存储数据依据触发器自锁的原理，利用触发器保存数据，所以数据是非破坏性读出，一次写入，可以反复读出，对存储的数据没有反作用。写入时，只要在 D/D上加上反相的信号，就可以引起触发器的翻转，实现数据写入。
动态存储单元 (DRAM)
静态存储单元功耗高，体积大，
大容量存储器一般都采用动态存储单元读出过程中：电容 C上若充有足够电荷，其电压足够使
T2导通，输出线 DO上就得到低电平 0，否则得到 1。
写入过程就是给电容充电和放电的过程。
存储依赖电容存储电荷每次从 DRAM中读出数据时，都会使电容 C上的电荷减少，
所以 DRAM的读出过程是破坏性读出，每次读出后必须及时给电容再次充电，维护其内容。
C上电荷也不能长时间维持，所以还必须定时对电容充电，
称为 再生或刷新 。
读取时,X,Y选中该单元,T1,T3，
T4,T5都开通。 DO上得到存储的数据 ;
同时 R=1,内部数据经写入刷新单元刷新电容 C，刷新电平是 D
如果 D=0;对应 C应该充满电，刷新电平为 1,重新给电容充电如果 D=1;对应 C应该不充电，刷新电平为 0，对 C放电。
1 D
D0
D
1
写入数据时：
X,Y选中该单元，控制管开通。数据从 DI输入，经写入刷新控制电路，对电容充放电。
0 0
0
1 D
D
D
经过写入刷新控制电路，对电容充放电的电平是 D
若 D=0,则对电容充电
D=1,则对电容放电。
定时刷新时,
只选通行选择线 X,并令 R/W=1;
此时 Y不通,DI,DO都断开，
与读出数据时相同，数据经写入刷新控制单元，根据原来存储的数据自己刷新。
单管存储单元更简单的单管存储单元。
由于电容很小，而且电容是连接在门控管的源级上所以每次读取数据时，电容上的电荷消耗很多，电压下降很大。
读取数据时，要经过专门的读出放大器对信号进行放大，并且需要及时对存储单元进行刷新。
输入输出控制电路
&
&
G1 G2
G3
D D
R/W
CS
I/O
CS=1时，
G1,G2,G3都是三态，
存储器与输入 /输出线完全隔离
1
0
0
CS=0时；
R/W=1时：
G1,G2三态,G3开通
D端数据输出到 I/O线上
0
1
CS=0,R/W=0时,G1,G2开通,G3三态,I/O上的数据被同时送到 D/D上，改变存储单元内部内容。
D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输入，可以从 D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。
每个由 X,Y共同选中的单元中实际包含了 4个 1位数据存储单元表示 4位数据。
行选择线有 32条，列选择线 8条，一共可以有 32X8=256个组合总的存储容量就是 256 x 4
1024 X 4 RAM
列控制门行控制门在内部数据线
RAM操作时序要求：
能理解时序图
RAM容量扩展与译码器的扩展相同：
若做位数的扩展，则把各片芯片并联每个地址对应多个芯片内部的相同位置的存储单元，扩展了每个地址的位数
若做地址扩展，则把低位地址并联入各个芯片，高位地址经译码作为各个芯片的片选信号外部 15条地址线，接入芯片内部 13条，多余两条译码后作为片选。
同理,2000~3FFF的高位是 01，只有芯片 2被选中，
芯片二上的 8k个存储单元地址是 2000~3FFF
地址 000000000000000 ~
001111111111111 的高位地址线为 00，
Y0输出低电平，第一块芯片被选中，
第一块芯片的 8k个存储单元对应的地址就是 0000~1FFF；
8.2 只读存储器 (ROM)
分类：
(1)按制造工艺分：
二极管 ROM,双极型 ROM(三极管 ),单极型 (MOS)
(2)按存储内容写入方式分固定 ROM
可写入式,一次写入式 PROM
可重复擦写式,光擦除 EPROM,
电擦除 EEPROM,E2PROM
快闪存储器 FLASH ROM
结构：
与 RAM类似：分为地址译码、存储单元矩阵、输入输出控制单元几个部分。
地址译码部分与 RAM基本相同，存储单元矩阵和输入输出控制电路由于存储机理不同，有较大区别。
二极管 PROM
4x4存储器，
两位地址线,4个地址每个地址 4个数据。若 A
1A0=10
Y2=1,Y0Y1Y3=0
D3,D2,D1=VCC-0.7V
R3,R2,R1上压降为 VCC-0.7V
D0=0V,R0压降为０
由于位线与地址线用二极管连接所以 Y0,Y1,Y3不影响 D
00,1001
01,0111
10,1110
11,1000
熔丝断开后不可恢复，所以是一次性编程
EPROM(光擦除可编程 ROM)
浮栅是与四周绝缘的一块导体控制栅上加正电压,P型衬底上部感生出电子，产生 N型反型层,NMOS管导通。
如果浮栅带负电，则在衬底上部感生出正电荷，阻碍控制栅开启 MOS管。开启需要更高的电压。
加相同栅电压时，浮栅带电与否，表现为 MOS管的通和断。
在栅极和漏极加上高电压漏极 PN结反相击穿，产生大量高能电子，在栅极高电压的吸引下，穿透栅极绝缘层，部分堆积在浮栅上使浮栅带负电。
用紫外线照射时，浮栅上电子形成光电流释放掉。
擦除时间长 10~20分钟
整片擦除
写入一般需要专门的工具
EEPROM,E2PROM
对浮栅充放电过程不同：
浮栅与漏极 N区延长区有一点交迭并且，交迭处的绝缘层厚度很小控制栅上加高电压，漏极接地即可对浮栅充电。在高电压作用下，电子穿透绝缘层积累在浮栅上。
控制栅接地，楼极接高电压即可对浮栅放电。
电擦除，一般芯片内部带有升压电路，可以直接读写 EEPROM
读出,Gc=3V,Wi=5V
擦除,Gc=Wi=20V
写入,Gc=0,Wi=Bi=20V
FLASH ROM
结合 EPROM和 EEPROM的特点。
写入：利用雪崩击穿产生的大量高能电子在浮栅上积累。
擦除：利用隧道效应，控制栅接地，源级接高电压，放电。
构成的电路形式简单，集成度高，
可靠性好读出,Wi=5V,Vss=0V
写入,Wi=6V,Gc=12V脉冲,Vss=0
擦除,Gc=0V,Vss=12V(整块擦除 )
EEPROM和 FLASH ROM
1)擦除时间短 (ms级 )
2)不需要专门的工具写入和擦除
EEPROM可以对单个存储单元擦除
FLASH ROM由于源极都并联，所以擦除时，整片擦除，或分块擦除
8.0 存储器概述存储器 —— 存放 大量 二进制数字的器件。
按材料分类
1) 磁介质类 —— 软磁盘、硬盘、磁带
2) 光介质类 —— CD,DVD,MO
3) 半导体介质类 —— FLASH ROM,SDRAM,EEPROM
按功能分类主要分 RAM和 ROM两类，不过界限逐渐模糊
RAM,SDRAM,磁盘，
ROM,CD,DVD,FLASH ROM,EEPROM
本课主要讲述半导体介质类器件性能指标
1)存储容量 —— 字数 X位数； 256X8bit=256字节，一般用位数表示,xxx256表示 256(k)bit=32(k)*8=32(k)字节
2) 存取时间 —— 存储器操作的速度
8.1 随机存储器 RAM
RAM—— 在工作过程中，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，因此它被称为随机存储器，读写速度很快。但一般有易失性，数据掉电后就消失 (也有非易失性的 RAM,实际上类似于
ROM)。
RAM 按功能可分为 静态、动态两类；
RAM 按所用器件又可分为双极型和 MOS型两种。
1.存储器的基本结构存储器的每个存储单元是一个单元电路，由于存储器的容量巨大，一般都把存储单元排列成矩阵形式。分行列译码，用两条线来共同选择存储单元。
A0
A1
A2
A3
CSX0
CSX1
CSX15
行地址译码器
……
列地址译码器
A4 A5 A6 A7
CSY0 CSY1 CSY15
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
……
CS0
CS1
CS255
地址译码器存储器阵列
0
1
255
0
1
15
16
17
32
32
241
255
256条选择线
32条选择线
A0
Ai
行地址译码器
…..
列地址译码器
Ai+1 An-1……
存储矩阵读写控制电路
CS
R/W
I/O
地址输入 控制输入数据输入 /输出存储器有三组输入信号,地址输入、控制输入 和 数据输入一组输出信号,数据输出一般在存储器中都使用双译码形式，就是如图的地址分成行列两组的形式，以简化电路静态 RAM存储单元 (SRAM)
六管 NMOS存储单元
Y
X
T3 T4
T2T1
T5 T6
T8T7
D D
A B
T1,T3构成一个 NMOS反相器
B为输入,A为输出
T2,T4构成一个 NMOS反相器
A为输入,B为输出
I
O
VDD
B A
线与
A
A
B
D
DD
D
B
Y
X
T3 T4
T2T1
T5 T6
T8T7
D D
A B
触发器构成的存储单元的内部输入 /输出 A,B
A经 T5,T7连接数据线 D
B经 T6,T8连接数据线 D
只有 X,Y选择线都是高电平，内部输入、输出才和外部数据线连接，也就是该存储单元被选中。
行选择线 X控制 T5,T6
X=1时 T5,T6导通
X=0时 T5,T6截止列选择线 Y控制 T7,T8
Y=1时 T7,T8导通
Y=0时 T7,T8截止
CMOS六管存储单元原理与 NMOS六管静态存储单元类似：
以 CMOS反相器的原理用 T1~T4构成一个基本
RS触发器，其中 T1,T3
构成一个 CMOS反相器,T2,T4构成另一个。
其他 MOS管构成连接控制。
静态存储单元存储数据依据触发器自锁的原理，利用触发器保存数据，所以数据是非破坏性读出，一次写入，可以反复读出，对存储的数据没有反作用。写入时，只要在 D/D上加上反相的信号，就可以引起触发器的翻转，实现数据写入。
动态存储单元 (DRAM)
静态存储单元功耗高，体积大，
大容量存储器一般都采用动态存储单元读出过程中：电容 C上若充有足够电荷，其电压足够使
T2导通，输出线 DO上就得到低电平 0，否则得到 1。
写入过程就是给电容充电和放电的过程。
存储依赖电容存储电荷每次从 DRAM中读出数据时，都会使电容 C上的电荷减少，
所以 DRAM的读出过程是破坏性读出，每次读出后必须及时给电容再次充电，维护其内容。
C上电荷也不能长时间维持，所以还必须定时对电容充电，
称为 再生或刷新 。
读取时,X,Y选中该单元,T1,T3，
T4,T5都开通。 DO上得到存储的数据 ;
同时 R=1,内部数据经写入刷新单元刷新电容 C，刷新电平是 D
如果 D=0;对应 C应该充满电，刷新电平为 1,重新给电容充电如果 D=1;对应 C应该不充电，刷新电平为 0，对 C放电。
1 D
D0
D
1
写入数据时：
X,Y选中该单元，控制管开通。数据从 DI输入，经写入刷新控制电路，对电容充放电。
0 0
0
1 D
D
D
经过写入刷新控制电路，对电容充放电的电平是 D
若 D=0,则对电容充电
D=1,则对电容放电。
定时刷新时,
只选通行选择线 X,并令 R/W=1;
此时 Y不通,DI,DO都断开，
与读出数据时相同，数据经写入刷新控制单元，根据原来存储的数据自己刷新。
单管存储单元更简单的单管存储单元。
由于电容很小，而且电容是连接在门控管的源级上所以每次读取数据时，电容上的电荷消耗很多，电压下降很大。
读取数据时，要经过专门的读出放大器对信号进行放大，并且需要及时对存储单元进行刷新。
输入输出控制电路
&
&
G1 G2
G3
D D
R/W
CS
I/O
CS=1时，
G1,G2,G3都是三态，
存储器与输入 /输出线完全隔离
1
0
0
CS=0时；
R/W=1时：
G1,G2三态,G3开通
D端数据输出到 I/O线上
0
1
CS=0,R/W=0时,G1,G2开通,G3三态,I/O上的数据被同时送到 D/D上，改变存储单元内部内容。
D/D连接存储器内部的各个存储单元，既做数据输入，也作数据输入，可以从 D上读取存储器的内容，也可以向存储器内部写入。
每个由 X,Y共同选中的单元中实际包含了 4个 1位数据存储单元表示 4位数据。
行选择线有 32条，列选择线 8条，一共可以有 32X8=256个组合总的存储容量就是 256 x 4
1024 X 4 RAM
列控制门行控制门在内部数据线
RAM操作时序要求：
能理解时序图
RAM容量扩展与译码器的扩展相同：
若做位数的扩展，则把各片芯片并联每个地址对应多个芯片内部的相同位置的存储单元，扩展了每个地址的位数
若做地址扩展，则把低位地址并联入各个芯片，高位地址经译码作为各个芯片的片选信号外部 15条地址线，接入芯片内部 13条，多余两条译码后作为片选。
同理,2000~3FFF的高位是 01，只有芯片 2被选中，
芯片二上的 8k个存储单元地址是 2000~3FFF
地址 000000000000000 ~
001111111111111 的高位地址线为 00，
Y0输出低电平，第一块芯片被选中，
第一块芯片的 8k个存储单元对应的地址就是 0000~1FFF；
8.2 只读存储器 (ROM)
分类：
(1)按制造工艺分：
二极管 ROM,双极型 ROM(三极管 ),单极型 (MOS)
(2)按存储内容写入方式分固定 ROM
可写入式,一次写入式 PROM
可重复擦写式,光擦除 EPROM,
电擦除 EEPROM,E2PROM
快闪存储器 FLASH ROM
结构：
与 RAM类似：分为地址译码、存储单元矩阵、输入输出控制单元几个部分。
地址译码部分与 RAM基本相同，存储单元矩阵和输入输出控制电路由于存储机理不同，有较大区别。
二极管 PROM
4x4存储器，
两位地址线,4个地址每个地址 4个数据。若 A
1A0=10
Y2=1,Y0Y1Y3=0
D3,D2,D1=VCC-0.7V
R3,R2,R1上压降为 VCC-0.7V
D0=0V,R0压降为０
由于位线与地址线用二极管连接所以 Y0,Y1,Y3不影响 D
00,1001
01,0111
10,1110
11,1000
熔丝断开后不可恢复，所以是一次性编程
EPROM(光擦除可编程 ROM)
浮栅是与四周绝缘的一块导体控制栅上加正电压,P型衬底上部感生出电子，产生 N型反型层,NMOS管导通。
如果浮栅带负电，则在衬底上部感生出正电荷，阻碍控制栅开启 MOS管。开启需要更高的电压。
加相同栅电压时，浮栅带电与否，表现为 MOS管的通和断。
在栅极和漏极加上高电压漏极 PN结反相击穿，产生大量高能电子，在栅极高电压的吸引下，穿透栅极绝缘层，部分堆积在浮栅上使浮栅带负电。
用紫外线照射时，浮栅上电子形成光电流释放掉。
擦除时间长 10~20分钟
整片擦除
写入一般需要专门的工具
EEPROM,E2PROM
对浮栅充放电过程不同：
浮栅与漏极 N区延长区有一点交迭并且，交迭处的绝缘层厚度很小控制栅上加高电压，漏极接地即可对浮栅充电。在高电压作用下，电子穿透绝缘层积累在浮栅上。
控制栅接地，楼极接高电压即可对浮栅放电。
电擦除，一般芯片内部带有升压电路，可以直接读写 EEPROM
读出,Gc=3V,Wi=5V
擦除,Gc=Wi=20V
写入,Gc=0,Wi=Bi=20V
FLASH ROM
结合 EPROM和 EEPROM的特点。
写入：利用雪崩击穿产生的大量高能电子在浮栅上积累。
擦除：利用隧道效应，控制栅接地，源级接高电压，放电。
构成的电路形式简单，集成度高，
可靠性好读出,Wi=5V,Vss=0V
写入,Wi=6V,Gc=12V脉冲,Vss=0
擦除,Gc=0V,Vss=12V(整块擦除 )
EEPROM和 FLASH ROM
1)擦除时间短 (ms级 )
2)不需要专门的工具写入和擦除
EEPROM可以对单个存储单元擦除
FLASH ROM由于源极都并联，所以擦除时，整片擦除，或分块擦除
