1、第 9 章半导体存储器,数字电子技术,范立南 田丹 李雪飞 张明 编著清华大学出版社,本章知识结构图,第9章 半导体存储器, 9.1 只读存储器 9.2 随机存取存储器 9.3 存储器容量的扩展 9.4 实例电路分析：存储系统的设计,例如计算机中的自检程序、初始化程序便是固化在 ROM 中的。计算机接通电源后，首先运行它，对计算机硬件系统进行自检和初始化，自检通过后，装入操作系统，计算机才能正常工作。,9.1.1 ROM的定义与基本结构,只读存储器(ROM，即Read-Only Memory),ROM 在工作时只能读出信息而不能写入信息。它用于存放固定不变的信息，断电后其数据不会丢失。常用于存
2、放程序、常数、表格等。,9.1只读存储器,按数据写入方式不同分,ROM 的类型及其特点,写入的数据可电擦除，用户可以多次改写存储的数据。使用方便。,其存储数据在制造时确定，用户不能改变。用于批量大的产品。,其存储数据由用户写入。但只能写一次。,写入的数据可用紫外线擦除，用户可以多次改写存储的数据。,9.1.2 掩膜ROM 掩膜ROM制成后，用户不能修改，图9.1为一个简单的44位MOS管ROM，采用单译码结构。两位地址线A1、A0译码后可译出四种状态，输出4条选择线，分别选中4个单元，每个单元有4位输出。,图9.1 掩膜ROM电路原理图,在图中所示的矩阵中，行和列的交点，有的连有管子，有的没有
3、，这是工厂根据用户提供的程序对芯片图形(掩膜)进行二次光刻所决定的，所以称为掩膜ROM。若地址线A1A0=00，则选中0号单元，即字线0为高电平，若有管子与其相连(如位线2和0)，其相应的MOS管导通，位线输出为0，而位线1和3没有管子与字线相连，则输出为1。故存储器的内容取决于制造工艺，。,9.1.3 可编程ROM在某些应用中，程序需要经常修改，因此能够重复擦写的EPROM被广泛应用。这种存储器利用编程器写入后，信息可长久保持，因此可作为只读存储器。当其内容需要变更时，可利用擦除器(由紫外线灯照射)将其擦除，各单位内容复原为FFH，再根据需要利用EPROM编程器编程，因此这种芯片可反复使用。
4、,1. EPROM(1)存储单元电路和工作原理 通常EPROM存储电路是利用浮栅MOS管构成的，又称FAMOS管(Floating gate Avalanche Injection Metal-Oxide-Semiconductor，即浮栅雪崩注入MOS管)，其构造如图9.2(a)所示。,图9.2 浮栅MOS EPROM存储电路,该电路和普通P沟道增强型MOS管相似，只是浮栅管的栅极没有引出端，而被SiO2绝缘层所包围，称为“浮栅”。在原始状态，该管栅极上没有电荷，没有导通沟道，D和S是不导通的。如果将源极和衬底接地，在衬底和漏极形成的PN结上加一个约24 V的反向电压，可导致雪崩击穿，产生许
5、多高能量的电子，这些电子比较容易越过绝缘薄层进入浮栅。注入浮栅的电子数量由所加电压脉冲的幅度和宽度来控制，如果注入的电子足够多，这些负电子在硅表面上感应出一个连接源漏极的反型层，使源漏极呈低阻态。当外加电压取消后，积累在浮栅上的电子没有放电回路，因而在室温和无光照的条件下可长期地保存在浮栅中。,将一个浮栅管和MOS管串起来组成如图9.2(b)所示的存储单元电路。于是浮栅中注入了电子的MOS管源漏极导通，当行选线选中该存储单元时，相应的位线为低电平，即读取值为“0”，而未注入电子的浮栅管的源漏极是不导通的，故读取值为“1”。在原始状态(即厂家出厂)，没有经过编程，浮栅中没注入电子，位线上总是“l
6、”。,（2）编程和擦除过程消除浮栅电荷的办法是利用紫外线光照射，由于紫外线光子能量较高，从而可使浮栅中的电子获得能量，形成光电流从浮栅流入基片，使浮栅恢复初态。EPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口，只要将此芯片放入一个靠近紫外线灯管的小盒中，一般照射10分钟左右，读出各单元的内容均为FFH，则说明该EPROM已擦除。,图9.3 2764A功能框图,但把A9引脚接至11.512.5 V的高电平，则2764A处于读Intel标识符模式。要读出2764A的编码必须顺序读出两个字节，先让A1A8全为低电平，而使A0从低变高，分两次读取2764A的内容。当A0=0时，读出的内容为制造商编码(陶瓷封装为8
7、9H，塑封为88H)，当A0=1时，则可读出器件的编码(2764A为08H，27C64为07H)。,9.1.4电可擦可编程只读存储器(EEPROM) EPROM的优点是一块芯片可多次使用，缺点是整个芯片虽只写错一位，也必须从电路板上取下擦掉重写，因而很不方便的。在实际应用中，往往只要改写几个字节的内容，因此多数情况下需要以字节为单位进行擦写，而EEPROM在这方面具有很大的优越性。,9.1.5 ROM的读操作与时序图,1最小模式下的总线读操作,2最大模式下的读/写总线周期,9.2 随机存取存储器,9.2.1 静态随机存取存储器,1SRAM的基本存储电路,2SRAM的读写过程,3典型SRAM芯片
8、,常用的SRAM芯片有2114(1K4)、2142(1K4)、6116(2K8)、6232(4K8)、6264(8K8)、和62256(32K8)等。,9.2.2 动态随机存取存储器(DRAM),1基本存储电路,9.3 存储器容量的扩展,采用多片ROM/RAM经扩展后组成容量更大的ROM/RAM存储以满足系统的需要。芯片数量的选择由系统要求的容量(M N)和单片容量(m n)来决定，其计算方法如下。已知系统要求的内存容量为M N(字长或位数)，现有单片ROM/RAM的容量为m(字数) n(字长或位数)。所需单片ROM/RAM的数量计算原则如下。计算原则：M m，N n根据字数计算所需单片数：M
9、/m (取整数)根据字长或位数计算所需单片数：N/n (取整数)总片数,9.3.1 位扩展方式,若单片ROM/RAM的字数满足系统内存总的字数要求，而每个字的字长或位数不够用时，则采用位扩展方式。位扩展后的存储器字数没改变而位数增加，存储器容量相应增加。,9.3.2 字扩展方式,若每一片ROM/RAM的数据位数够，而字数不能满足系统内存总的字数要求，则采用字扩展方式。字扩展后的存储器数据位数或字长没有变，而字数增加，存储器容量相应增加。,9.3.3 字、位同时扩展,当单片ROM/RAM的字数和位数都不够时，就要采用字位扩展方式。【例9-4】用1K 4位RAM扩展成一个4K 8位的存储器。解：
10、确定芯片数： 确定地址线数D：2D =4096 D=12 用8片1K 4位RAM芯片，位扩展不需要增加地址线数，而字扩展则需要增加地址线数。RAM原有10条地址线，现增加两条地址线A11、A10，利用2线4-线译码器将A11、A10的四组不同代码输入译成4路低电平信号 ，分别接到RAM的 端。与字扩展相同，并接的2片RAM的8条数据线可分别做为字位扩展的存储器的8条数据输入/输出线。,9.4 实例电路分析：存储系统的设计,某8位微机有地址总线16根，双向数据总线8根，控制总线中与主存相关的有“允许访存”信号 (低电平有效)和读/写控制信号 (高电平读、低电平写)。试用SRAM芯片2114为该机
11、设计一个8KB的存储器并画出连接框图。,半导体存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可存储一位二进制数 。根据存取功能的不同，半导体存储器分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，两者的存储单元结构不同。ROM 属于大规模组合逻辑电路，RAM 属于大规模时序逻辑电路。,本 章 小 结,ROM 用于存放固定不变的数据，存储内容不能随意改写。工作时，只能根据地址码读出数据。断电后其数据不会丢失。ROM有固定 ROM(又称掩膜 ROM) 和可编程 ROM之分。固定 ROM 由制造商在制造芯片时，用掩膜技术向芯片写入数据，而可编程 ROM 则由用户向芯片写入数据。可编程 ROM 又分为一次可
12、编程的 PROM 和可重复改写、重复编程的 EPROM 和 E2PROM。EPROM 为电写入紫外擦除型，E2PROM 为电写入电擦除型，后者比前者快捷方便。可编程 ROM 都要用专用的编程器对芯片进行编程。,RAM 由存储矩阵、译码器和读/写控制电路组成。它可以读出数据或改写存储的数据，其读、写数据的速度很快。因此，RAM 多用于需要经常更换数据的场合，最典型的应用就是计算机中的内存。但是， RAM 断电后数据将丢失。,RAM 可位扩展或字扩展，也可位、字同时扩展。通过扩展，可由多片小容量的 RAM 构成大容量的存储器。,RAM 有静态 RAM和动态 RAM 之分。静态 RAM(即SRAM)的存储单元为触发器，工作时不需刷新，但存储容量较小。动态 RAM(即 DRAM)的存储单元是利用 MOS 管具有极高的输入电阻( 1010 )、在栅极电容上可暂存电荷的特点来存储信息的，由于栅极电容存在漏电，因此工作时需要周期性的对存储数据进行刷新。,
