第九章 半导体存储器一、半导体存储器概念：
随着微电子技术的提高,大规模集成电路
(LSI)发展很快,近年来集成电路几乎以每年提高一倍的速度向前发展。
存储器是电子计算机及数字系统中不可缺少的部分，用来存放二进制代码表示的数据?系统指令?资料及运算程序等。
二、存储器的主要指标存储容量 和 工作速度
1,存储容量存储容量是衡量工作能力大小的指标,容量越大,
存储的信息越多,工作能力越强。
存储容量用存储单元的总数表示。习惯上常用若干个,K”单元表示。例如：
210=1024 称 1K单元,
212=4096 称 4K单元。
在数字系统中，数据和指令通常用一定位数的字来表示，字的位数称为 字长 。故存储容量为：
n字 （字位） × m位 （位） 。
例如,1024字 × 8位?可写为,1K字 × 8位,,这说明它能存放 1024个 8位的数据。
2.存取速度 (工作速度 )
★ 存取速度用存取周期表示。
从存储器开始存取第一个字到能够存取第二个字为止。所需的时间称为 存取时间 或 存取周期 。它是衡量存储器存取速度的 重要指标 。
★存取周期越短，说明存取速度越高。
双极型存储器的存取周期为,20 ～ 50 ns，
MOS存储器的存取周期为,100 ～ 300 ns。
三?存储器的分类分类方法有两种：功能分类和工艺分类。
1,按功能分类
ROM
固定 ROM:内容由厂家制作。 ROM
可编程 ROM：可一次性编程。 PROM
可擦除可编程 ROM：可多次改写 EPROM
RAM 双极型 RAM
单极型 （ MOS）
SRAM（静态）
DRAM（动态）
SAM MOS移位寄存器电荷耦合器件 CCD移位寄存器
Cache 高速缓存
E2PROM
UVEPROM
2,按工艺分类电荷偶合器件（ CCD）,是一种新型存储器件，
其制造工艺简单，集成度比 MOS更高，工作速度与 MOS型相当。
双极型存储器,
MOS型存储器 (单极型 )：
电荷偶合器件（ CCD）
速度快功耗大功耗低制造工艺 简单集成度高速度慢
9.1只读存储器 (ROM,Read Only Memory)
ROM:只能读出存储器中已有的信息,而不能随时对它写入新的信息的那一类存储器。简称为,ROM。
ROM的特点：数据写入后，即使在切断电源后，信息也不会丢失。所以，只读存储器常用于 存放常数?固定函数?固定程序 等固定不变信息。
一?ROM的分类
1,按写入方式分类
(1) 固定 ROM
(2)PROM(可编程 ROM)
(3)EPROM(可擦出?可编程 ROM)
2,按器件分类
(1) 二极管 ROM
(2) 双极型 ROM
(3) 单极型 ROM
二?ROM的结构
ROM的结构由三部分组成,
地址译码器、存储单元矩阵、输出电路
UVEPROM
E2PROM
Flash
2k+1 → 全译码
W0～ WM–1 → 称为字选线
b0～ bN–1 → 称为数据线字线
(位数 )
M× N=总的存储单元三?工作原理结论：存 1，字线 W和位线 b间接二极管；
存 0，字线 W和位线 b间不接二极管。
与阵列或阵列全译码电路存储容量,4字 × 4位 =16字位讨论,当 A1A0=00时
W0=1,
W1=W2=W3=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =1 0 1 0
0
0
1
1
讨论,当 A1A0=01时
W1=1,
W0=W2=W3=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =1 1 1 0
0
1
1
0
讨论,当 A1A0=10时
W2=1,
W0=W1=W3=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =0 1 0 1
1
0
0
1
讨论,当 A1A0=11时
W3=1,
W0=W1=W2=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =1 1 0 1
1
1
0
0
四?ROM的逻辑关系
1.属于组合逻辑电路译码器部分的输出变量和输入变量（包括原变量和反变量）构成,与,的关系。
存储矩阵和输出电路部分的输出变量和存储矩阵的输入变量构成,或,的关系。
2.进行 ROM电路的分析和设计，常用阵列图来表示 ROM的结构。
“蓝点”代表输入、
输出间应具有的逻辑关系。（,与,
或者,或,） （在存储矩阵中，表示交叉处有二极管。）
五,ROM的应用
1.实现组合逻辑函数例 9.1.1 试用 ROM实现如下组合逻辑函数解,首先应将以上两个逻辑函数化成由最小项组成的标准,与 -或,式,即采用有 3位地址码,2位数据输出的 8字节 × 2位 ROM。
将 A,B,C 3个变量分别接至地址输入端 A2A1A0。按逻辑函数要求存入相应数据,即可在数据输出端 D0,D1得到 F1和 F2,其 ROM 阵列如图 9.1.9所示例 9.1.2 试用 ROM设计一个 8421 BCD码 7段显示译码器电路，其真值表如表 9.1.2所示。
解：由真值表可见，应取用输入地址为 4位，输出数据为 7位的 10 字节 × 7位 ROM。
a=m1+m4;
b=m5+m6;
c=m2;
d=m1+m4+m7;
e=m1+m3+m4+m5+m7+m9;
f=m1+m2+m3+m7;
g=m0+m1+ m7;
a=m1+m4 ;
b=m5+m6 ;
c=m2 ;
d=m1+m4+m7 ;
e=m1+m3+m4+m5+m7+m9 ;
f=m1+m2+m3+m7 ;
g=m0+m1+ m7 ;
2.字符发生器例如：显示的字符以光点的形式存储在 ROM中，每个字符由 7× 5点阵组成。并显示,T”。
六、固定 ROM
固定 ROM又称掩膜 ROM,这种固定 ROM在制造时，
由用户向厂家提供清单，规定出每个存储位的逻辑状态，作为厂家制作的依据，达到用户要求。把每个存储位用一个圆表示。若圆中做一个场效应管，
并将 G与 D相连，则 T导通对应逻辑,0”。若图中不做场效应管，因电阻 R接 VCC，对应逻辑,1”。这样，圆内做不做管子，是决定其输出逻辑状态的依据。
等效模型：
七,可编程只读存储器 (PROM)
提供给用户自行编程的可能性,又称为现场可编程只读存储器。
1,结构 1) 每一个存储位的晶体管发射极上连接一段镍铬熔丝 （低熔点） 出厂时所有熔丝都连好。存储器的内容为全,1”。
2）用户使用时先对 PROM
编程，程序清单中与 PROM
原始状态相同的位不作处理，相反的位，将熔丝烧断使输出数据改写为,0”。
八、可改写可编程只读存储器 (EPROM)
1.UVEPROM (紫外线擦除 )
UVEPROM的存储单元是一个浮栅雪崩注入
MOS管,结构示意图如图所示。它与普通 MOS管相似，
但有两个栅极 G1? G2,其中 G1 无引线，被包围在
SiO2中距 P衬底很近（约 0.1μm),故称为 浮栅 。 G2 有引出线，称为 控制栅 。
写入：利用雪崩击穿；
擦除：利用紫外线。
当 G2加上正电压时,
形成方向向下的电场,因而电子在 P型衬底上部形成反型层,空穴被吸收,而形成沟道,T导通。
SiO2绝缘层
– +
P型硅衬底
G1G2
N+ N+
S D
高掺杂 n型区电场的方向电子运动的方向在栅极和漏极上加几十伏 (+25V)高压脉冲,
在 G1上就会积累了负电荷,使 T的开启电压
(VT≈V CC),升高至接近电源电压。
电场当 +25V高压取消时,G1
上的电荷由于没有释放的通路，将保存在
G1栅中。
1）若 G1上有负电荷时，
当 G2=1时，由于 VT≈V CC,则
T× （截止 ），位线 =VCC，经输出三态缓冲器,存入的信息为,1”。
2）若 G1上无负电荷时，当
G2=1时，由于 VT小,则 TV
（导通 ），位线 = 0，经输出三态缓冲器，存入的信息为
,0”。
正常读写条件下
1
0
3) 擦除采用光子能量较高的紫外线照射 G1栅,使 G1
中电子获得足够高的能量,从而穿过氧化层,回到初始状态,使芯片恢复到 全,1”。为便于紫外线光的透入，一般芯片带有一石英窗口。为避免阳光或其它光源中紫外线的影响，正常使用时，窗口上贴一层不透明的纸。
2,E2PROM(电可改写的 ROM)
(1)结构
E2PROM采用浮栅隧道氧化层 MOS管 。它有两个栅极,控制栅 GC 和 浮置栅 Gf。
特点,浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄的隧道区，
其厚度仅为 10～ 15μ m,可产生隧道效应。 写入、擦除：利用隧道效应。
GC Gf
隧道区
（ 2）工作原理图中的 T1为存储管，根据浮置栅是否充有负电荷来区分单元的,1”或,0”状态。
1）读
GC,加 +3V，字线 Wi加 +5V,T2导通。
① T1的浮置栅上没充有电荷,T1导通? T2导通，读,0”。
② T1的浮置栅上充有电荷,T1截止? T2导通，读,1”。
2）擦除
① 抹成全,1”（ 写,1”）
电荷运动方向电场运动的方向脉宽 =10ms;
使 T1管的 VT=7V
② 写入（ 写,0”）
GC：接地；
Wi,加 +20V 脉冲，脉宽 =10ms;
Yi,加 +20V 脉冲，脉宽 =10ms;
电荷运动方向电场运动的方向释放电荷使 VT=0V
九、快闪存储器 (Flash Memory)
集中了 UVEPROM和 E2PROM的优点。
1,结构存储单元只用一个单管构成。类似于 EPROM结构，
但两者区别于浮栅与衬底间氧化层的厚度不同。 EPROM
中的氧化层的厚度一般为 30 ～ 40 μ m，快闪存储器中仅为 10 ～ 15μ m。
写入时利用 雪崩击穿 ；
擦除时利用 隧道效应 。
2,读
VT=7V,T×VT很小,T导通
1,写
VT=7V
3,擦除电场运动的方向电荷运动方向注意,由于片内所有管子的源 (S)极连在一起,所以擦除时是将全部存储单元同时擦除,这是不同于 E2PROM
的一个特点。
作业,9.3,9.7
随着微电子技术的提高,大规模集成电路
(LSI)发展很快,近年来集成电路几乎以每年提高一倍的速度向前发展。
存储器是电子计算机及数字系统中不可缺少的部分，用来存放二进制代码表示的数据?系统指令?资料及运算程序等。
二、存储器的主要指标存储容量 和 工作速度
1,存储容量存储容量是衡量工作能力大小的指标,容量越大,
存储的信息越多,工作能力越强。
存储容量用存储单元的总数表示。习惯上常用若干个,K”单元表示。例如：
210=1024 称 1K单元,
212=4096 称 4K单元。
在数字系统中，数据和指令通常用一定位数的字来表示，字的位数称为 字长 。故存储容量为：
n字 （字位） × m位 （位） 。
例如,1024字 × 8位?可写为,1K字 × 8位,,这说明它能存放 1024个 8位的数据。
2.存取速度 (工作速度 )
★ 存取速度用存取周期表示。
从存储器开始存取第一个字到能够存取第二个字为止。所需的时间称为 存取时间 或 存取周期 。它是衡量存储器存取速度的 重要指标 。
★存取周期越短，说明存取速度越高。
双极型存储器的存取周期为,20 ～ 50 ns，
MOS存储器的存取周期为,100 ～ 300 ns。
三?存储器的分类分类方法有两种：功能分类和工艺分类。
1,按功能分类
ROM
固定 ROM:内容由厂家制作。 ROM
可编程 ROM：可一次性编程。 PROM
可擦除可编程 ROM：可多次改写 EPROM
RAM 双极型 RAM
单极型 （ MOS）
SRAM（静态）
DRAM（动态）
SAM MOS移位寄存器电荷耦合器件 CCD移位寄存器
Cache 高速缓存
E2PROM
UVEPROM
2,按工艺分类电荷偶合器件（ CCD）,是一种新型存储器件，
其制造工艺简单，集成度比 MOS更高，工作速度与 MOS型相当。
双极型存储器,
MOS型存储器 (单极型 )：
电荷偶合器件（ CCD）
速度快功耗大功耗低制造工艺 简单集成度高速度慢
9.1只读存储器 (ROM,Read Only Memory)
ROM:只能读出存储器中已有的信息,而不能随时对它写入新的信息的那一类存储器。简称为,ROM。
ROM的特点：数据写入后，即使在切断电源后，信息也不会丢失。所以，只读存储器常用于 存放常数?固定函数?固定程序 等固定不变信息。
一?ROM的分类
1,按写入方式分类
(1) 固定 ROM
(2)PROM(可编程 ROM)
(3)EPROM(可擦出?可编程 ROM)
2,按器件分类
(1) 二极管 ROM
(2) 双极型 ROM
(3) 单极型 ROM
二?ROM的结构
ROM的结构由三部分组成,
地址译码器、存储单元矩阵、输出电路
UVEPROM
E2PROM
Flash
2k+1 → 全译码
W0～ WM–1 → 称为字选线
b0～ bN–1 → 称为数据线字线
(位数 )
M× N=总的存储单元三?工作原理结论：存 1，字线 W和位线 b间接二极管；
存 0，字线 W和位线 b间不接二极管。
与阵列或阵列全译码电路存储容量,4字 × 4位 =16字位讨论,当 A1A0=00时
W0=1,
W1=W2=W3=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =1 0 1 0
0
0
1
1
讨论,当 A1A0=01时
W1=1,
W0=W2=W3=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =1 1 1 0
0
1
1
0
讨论,当 A1A0=10时
W2=1,
W0=W1=W3=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =0 1 0 1
1
0
0
1
讨论,当 A1A0=11时
W3=1,
W0=W1=W2=0
电路可等效如下,
D3 D2 D1 D0 = b3 b2 b1 b0 =1 1 0 1
1
1
0
0
四?ROM的逻辑关系
1.属于组合逻辑电路译码器部分的输出变量和输入变量（包括原变量和反变量）构成,与,的关系。
存储矩阵和输出电路部分的输出变量和存储矩阵的输入变量构成,或,的关系。
2.进行 ROM电路的分析和设计，常用阵列图来表示 ROM的结构。
“蓝点”代表输入、
输出间应具有的逻辑关系。（,与,
或者,或,） （在存储矩阵中，表示交叉处有二极管。）
五,ROM的应用
1.实现组合逻辑函数例 9.1.1 试用 ROM实现如下组合逻辑函数解,首先应将以上两个逻辑函数化成由最小项组成的标准,与 -或,式,即采用有 3位地址码,2位数据输出的 8字节 × 2位 ROM。
将 A,B,C 3个变量分别接至地址输入端 A2A1A0。按逻辑函数要求存入相应数据,即可在数据输出端 D0,D1得到 F1和 F2,其 ROM 阵列如图 9.1.9所示例 9.1.2 试用 ROM设计一个 8421 BCD码 7段显示译码器电路，其真值表如表 9.1.2所示。
解：由真值表可见，应取用输入地址为 4位，输出数据为 7位的 10 字节 × 7位 ROM。
a=m1+m4;
b=m5+m6;
c=m2;
d=m1+m4+m7;
e=m1+m3+m4+m5+m7+m9;
f=m1+m2+m3+m7;
g=m0+m1+ m7;
a=m1+m4 ;
b=m5+m6 ;
c=m2 ;
d=m1+m4+m7 ;
e=m1+m3+m4+m5+m7+m9 ;
f=m1+m2+m3+m7 ;
g=m0+m1+ m7 ;
2.字符发生器例如：显示的字符以光点的形式存储在 ROM中，每个字符由 7× 5点阵组成。并显示,T”。
六、固定 ROM
固定 ROM又称掩膜 ROM,这种固定 ROM在制造时，
由用户向厂家提供清单，规定出每个存储位的逻辑状态，作为厂家制作的依据，达到用户要求。把每个存储位用一个圆表示。若圆中做一个场效应管，
并将 G与 D相连，则 T导通对应逻辑,0”。若图中不做场效应管，因电阻 R接 VCC，对应逻辑,1”。这样，圆内做不做管子，是决定其输出逻辑状态的依据。
等效模型：
七,可编程只读存储器 (PROM)
提供给用户自行编程的可能性,又称为现场可编程只读存储器。
1,结构 1) 每一个存储位的晶体管发射极上连接一段镍铬熔丝 （低熔点） 出厂时所有熔丝都连好。存储器的内容为全,1”。
2）用户使用时先对 PROM
编程，程序清单中与 PROM
原始状态相同的位不作处理，相反的位，将熔丝烧断使输出数据改写为,0”。
八、可改写可编程只读存储器 (EPROM)
1.UVEPROM (紫外线擦除 )
UVEPROM的存储单元是一个浮栅雪崩注入
MOS管,结构示意图如图所示。它与普通 MOS管相似，
但有两个栅极 G1? G2,其中 G1 无引线，被包围在
SiO2中距 P衬底很近（约 0.1μm),故称为 浮栅 。 G2 有引出线，称为 控制栅 。
写入：利用雪崩击穿；
擦除：利用紫外线。
当 G2加上正电压时,
形成方向向下的电场,因而电子在 P型衬底上部形成反型层,空穴被吸收,而形成沟道,T导通。
SiO2绝缘层
– +
P型硅衬底
G1G2
N+ N+
S D
高掺杂 n型区电场的方向电子运动的方向在栅极和漏极上加几十伏 (+25V)高压脉冲,
在 G1上就会积累了负电荷,使 T的开启电压
(VT≈V CC),升高至接近电源电压。
电场当 +25V高压取消时,G1
上的电荷由于没有释放的通路，将保存在
G1栅中。
1）若 G1上有负电荷时，
当 G2=1时，由于 VT≈V CC,则
T× （截止 ），位线 =VCC，经输出三态缓冲器,存入的信息为,1”。
2）若 G1上无负电荷时，当
G2=1时，由于 VT小,则 TV
（导通 ），位线 = 0，经输出三态缓冲器，存入的信息为
,0”。
正常读写条件下
1
0
3) 擦除采用光子能量较高的紫外线照射 G1栅,使 G1
中电子获得足够高的能量,从而穿过氧化层,回到初始状态,使芯片恢复到 全,1”。为便于紫外线光的透入，一般芯片带有一石英窗口。为避免阳光或其它光源中紫外线的影响，正常使用时，窗口上贴一层不透明的纸。
2,E2PROM(电可改写的 ROM)
(1)结构
E2PROM采用浮栅隧道氧化层 MOS管 。它有两个栅极,控制栅 GC 和 浮置栅 Gf。
特点,浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄的隧道区，
其厚度仅为 10～ 15μ m,可产生隧道效应。 写入、擦除：利用隧道效应。
GC Gf
隧道区
（ 2）工作原理图中的 T1为存储管，根据浮置栅是否充有负电荷来区分单元的,1”或,0”状态。
1）读
GC,加 +3V，字线 Wi加 +5V,T2导通。
① T1的浮置栅上没充有电荷,T1导通? T2导通，读,0”。
② T1的浮置栅上充有电荷,T1截止? T2导通，读,1”。
2）擦除
① 抹成全,1”（ 写,1”）
电荷运动方向电场运动的方向脉宽 =10ms;
使 T1管的 VT=7V
② 写入（ 写,0”）
GC：接地；
Wi,加 +20V 脉冲，脉宽 =10ms;
Yi,加 +20V 脉冲，脉宽 =10ms;
电荷运动方向电场运动的方向释放电荷使 VT=0V
九、快闪存储器 (Flash Memory)
集中了 UVEPROM和 E2PROM的优点。
1,结构存储单元只用一个单管构成。类似于 EPROM结构，
但两者区别于浮栅与衬底间氧化层的厚度不同。 EPROM
中的氧化层的厚度一般为 30 ～ 40 μ m，快闪存储器中仅为 10 ～ 15μ m。
写入时利用 雪崩击穿 ；
擦除时利用 隧道效应 。
2,读
VT=7V,T×VT很小,T导通
1,写
VT=7V
3,擦除电场运动的方向电荷运动方向注意,由于片内所有管子的源 (S)极连在一起,所以擦除时是将全部存储单元同时擦除,这是不同于 E2PROM
的一个特点。
作业,9.3,9.7
