第7章 半导体存储器 返回总且录
第7章 半导体存储器 7.1 第7章 半导体存储器 返回总目录
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第7章 半导体存储器 7.2 • 只读存储器 • 随机存储器 • 存储器容量的扩展 • 用存储器实现组合逻辑函数 • 本章小结 本章内容
第7章半导体存储器 只读存储器 、 掩模只读存储器 固定ROM又称为掩模ROM,这种ROM在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据写入存 储器中，一旦OM佛制成，其存储的数据也就固定不变了。 R0M的电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个组成部分，如图7.1所 示。存储矩阵有许多存储单元排列而成。 在对应的存储单元内存入的是1还是0，是由接入或 不接入相应的二极管来决定的。 存储矩 地址译码器的作用是将输入的地址代码译成相应的 W A 控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单 元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器。地址译码器 输出缓冲器 有n个输入端，有2n个输出信息，每个输出信息对应一 个信息单元，而每个单元存放一个字，共有2个字(0， D 男g, 为字线)。 图7.1ROM的电路结构框图 每个字有m位，每位对应从DoD,…,D。输出（称为位线）。 存储器的容量是20X血（字线×位线）。R0M中的存储体可以由二极管、晶体管和 MOS管来实现。 7.3
第7章 半导体存储器 7.3 只读存储器 一、掩模只读存储器 固定ROM又称为掩模ROM，这种ROM在制造时，生产厂家利用掩模技术把数据写入存 储器中，一旦ROM制成，其存储的数据也就固定不变了。 ROM的电路结构包含存储矩阵、地址译码器和输出缓冲器三个组成部分，如图7.1所 示。存储矩阵有许多存储单元排列而成。 图7.1 ROM的电路结构框图 A1 A0 An-1 W0 W1 W2 1 n − Dm-1 D0 在对应的存储单元内存入的是1还是0，是由接入或 不接入相应的二极管来决定的。 地址译码器的作用是将输入的地址代码译成相应的 控制信号，利用这个控制信号从存储矩阵中把指定的单 元选出，并把其中的数据送到输出缓冲器。地址译码器 有n个输入端，有2n个输出信息，每个输出信息对应一 个信息单元，而每个单元存放一个字，共有2 n个字(W0， W1，…， 称为字线 W2 1 n − )。 每个字有m位，每位对应从D0，D1，…，Dm-1输出(称为位线)。 存储器的容量是2 n×m(字线×位线)。ROM中的存储体可以由二极管、晶体管和 MOS管来实现
第7章半导体存储器 只读存储器 输出缓冲器的作用有两个，一是能提高存储器的带负载能力，二是实现对输出状态 十的查接餐养统的总线连接 图7.2是具有2位地址输入码和4位数据输出的二极管 固定ROM电路图，2线-4线地址译码器的地址线为A1A0, 输出为W0~W,2位地址代码A1A0能给出四个不同的地址 地址译码器将这四个地址代码分别译成W。一W,四根线上的 □dee 高电平信号。存储矩阵实际上是由四个二极管或门组成 的编码器，当W。~W,每根线上给出高电平信号时，都会在 e1 D3~D,四根线上输出一个4位二值代码。通常将每个输出 ww 代码叫一个“字”，并把W~W叫做字线，把D。一D叫做 出冲 位线（或数据线），而AA称为地址线。输出端的缓冲器用 iD 来提高带负载能力，并将输出的高、低电平变换为标准 D 的逻辑电平。同时，通过给定示信号实现对输出的三态 控制。 图7.2二极管固定ROM的电路结构图 7.4
第7章 半导体存储器 7.4 只读存储器 输出缓冲器的作用有两个，一是能提高存储器的带负载能力，二是实现对输出状态 的三态控制，以便与系统的总线连接。 图7.2 二极管固定ROM的电路结构图 EN 1. 二极管固定ROM 图7.2是具有2位地址输入码和4位数据输出的二极管 固定ROM电路图，2线-4线地址译码器的地址线为A1A0， 输出为W0～W3，2位地址代码A1A0能给出四个不同的地址。 地址译码器将这四个地址代码分别译成W0～W3四根线上的 高电平信号。存储矩阵实际上是由四个二极管或门组成 的编码器，当W0～W3每根线上给出高电平信号时，都会在 D3～D0四根线上输出一个4位二值代码。通常将每个输出 代码叫一个“字”，并把W0～W3叫做字线，把D0～D3叫做 位线(或数据线)，而A1A0称为地址线。输出端的缓冲器用 来提高带负载能力，并将输出的高、低电平变换为标准 的逻辑电平。同时，通过给定 信号实现对输出的三态 控制
第7章 半导体存储器 只读存储器 在读取数据时，首先输入指定的地址码，令N、=0,在数据输出端D~D可获得该 人地址所存储的数据字。例如当A,A。=10时，W=1,而其他字线均为低电平。由于只有十 根线与，间接有二极管，所似这个三极管导通后使D为高电平，而D,、D和D,为 低电平。如果这时N=0,即可在数据输出端得到咖DDD。-0I00。全部四个地址内的存 储内容列于表7-1中。 表7-1图7.2R0M中的数据表 地址 数据 D Di. 0 0 1 0 0 0 0 12 1 1 1 1 0 由以上分析不难看出，这个存储矩阵由16个存储单元组成，每个十字交叉点都代表 一个存储单元。交点处接有二极管时相当于存1，没有接二极管时相当于存0。其存储容 量是交叉点的数目也就是存储单元数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储量 (或称容量)。 7.5
第7章 半导体存储器 7.5 只读存储器 在读取数据时，首先输入指定的地址码，令 =0，在数据输出端D3～D0可获得该 地址所存储的数据字。例如当A1A0=10时，W2=1，而其他字线均为低电平。由于只有 一 根线与W2间接有二极管，所以这个二极管导通后使 为高电平，而 、 和 为 低电平。如果这时 =0，即可在数据输出端得到D3D2D1D0=0100。全部四个地址内的存 储内容列于表7-1中。 表7-1 图7.2ROM中的数据表 END2 D0 D1 D3 EN 由以上分析不难看出，这个存储矩阵由16个存储单元组成，每个十字交叉点都代表 一个存储单元。交点处接有二极管时相当于存1，没有接二极管时相当于存0。其存储容 量是交叉点的数目也就是存储单元数。习惯上用存储单元的数目表示存储器的存储量 (或称容量)
第7章半导体存储器 只读存储器 2.MOS管固定ROM MOS管固定ROM也是译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成，但它们都是用M 十管组成。图7.3给出了MOS管存储矩阵的原理图。在大规模集成电路中M0S管多做成对称 结构，同时也为了画图的方便，一般都采用图中所用的简化画法。 在地址译码器的输出字线W。一W,中某一条字线 为高电平时，接在这条字线上的NMOS管导通，这些 DD 导通的NMOS管将位线下拉到低电平，经输出电路反 相，使其输出为1；没接导通的MOS管的位线仍为 高电平，使其输出为0。所以和二极管存储矩阵一 样，矩阵中字线与位线的交叉点有NMOS管的代表存 1:无NMOS管的表示存0. 可编程只读存储器 PROM在出厂时，存储内容为全1（或全O),用户 图7.3用MOS管构成的存储矩阵原理图 经常根据需要，将某些单元改写为0（或1）。PR0M的 总体结构与固定ROM一样，同样由存储矩阵、地址 译码器和输出电路组成。不过在出厂时已经在存储 矩阵的所有交叉点上全部制作了存储器件，即相当 无在所有存储单元中都存入于1
第7章 半导体存储器 7.6 只读存储器 2. MOS管固定ROM MOS管固定ROM也是译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成，但它们都是用MOS 管组成。图7.3给出了MOS管存储矩阵的原理图。在大规模集成电路中MOS管多做成对称 结构，同时也为了画图的方便，一般都采用图中所用的简化画法。 图7.3 用MOS管构成的存储矩阵原理图 W0 W1 W2 W3 D3 D2 D1 D0 ENVDD 在地址译码器的输出字线W0～W3中某一条字线 为高电平时，接在这条字线上的NMOS管导通，这些 导通的NMOS管将位线下拉到低电平，经输出电路反 相，使其输出为1；没接导通的NMOS管的位线仍为 高电平，使其输出为0。所以和二极管存储矩阵一 样，矩阵中字线与位线的交叉点有NMOS管的代表存 1；无NMOS管的表示存0。 二、可编程只读存储器 PROM在出厂时，存储内容为全1(或全0)，用户 经常根据需要，将某些单元改写为0(或1)。PROM的 总体结构与固定ROM一样，同样由存储矩阵、地址 译码器和输出电路组成。不过在出厂时已经在存储 矩阵的所有交叉点上全部制作了存储器件，即相当 于在所有存储单元中都存入了1
第7章： 半导体存储器 只读存储器 在编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是莲通的，如图7,4所示。即每个 该华亮存铺网要生费助定的维程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流培断，十 单元存储的都是1。 该单元存储的内容就变为0，此过程称为编程。 熔丝熔断后不能再接上，故POM只能进行一次编程。PROM的内容一经写入以后，就不可 能修改了，所以它只能写入一次。因此，POM仍不能满足研制过程中常修改存储内容的 要求。这就要求生产一种可以擦除重写的ROM。 三、 可擦除的可编程只读存储器 + 1.EPROMUVEPROM) EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元多采用N沟道叠栅MOS管， 所以也称这种存储单元为叠层栅存储单元，如图75所示。 字线 S0浮置D H浮置桶MOs气 N型村脑 位线 (a)浮置栅MOS管的结构(b)EPROM存储单元 7.7 图7.4PROM的可编程存储单元 图7.5 EPROM
第7章 半导体存储器 7.7 只读存储器 在编程前，存储矩阵中的全部存储单元的熔丝都是连通的，如图7.4所示。即每个 单元存储的都是1。 用户可根据需要，借助一定的编程工具，将某些存储单元上的熔丝用大电流熔断， 该单元存储的内容就变为0，此过程称为编程。 熔丝熔断后不能再接上，故PROM只能进行一次编程。PROM的内容一经写入以后，就不可 能修改了，所以它只能写入一次。因此，PROM仍不能满足研制过程中常修改存储内容的 要求。这就要求生产一种可以擦除重写的ROM。 三、可擦除的可编程只读存储器 1．EPROM(UVEPROM) EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元多采用N沟道叠栅MOS管， 所以也称这种存储单元为叠层栅存储单元，如图7.5所示。 图7.4 PROM的可编程存储单元 P + P + VDD (a) 浮置栅MOS管的结构 (b) EPROM存储单元 图7.5 EPROM
第7章 半导体存储器 只读存储器 用浮置栅MOS管操作存储单元时，还要用一只普通的P沟道MOS管与之串联，如图，5 牛所示。这只普通OS管的栅极受字线控制。产品在出厂时所有的浮置栅MOS管都处于截止 状态。在进行写入操作时，首先输入选好的地址，使需要写入数据的那些单元所在字线 为低电平。然后，在应该写入1的那些位线上加入负脉神，使被选中的单元内浮置栅M0S 管发生雪崩击穿，存储单元记入1。 在读出数据时，只需要输入指定的地址代码，相应的字线便给出低电平。这根字线 所接的一行存储单元中栅极已注入电荷的浮置栅MOS管导通，使所接的位线变成高电平， 读出1；栅极未注入电荷的浮置栅M0S管截止，所连接的位线为低电平，读出0。 浮置栅M0S管本身是一个P沟道增强型的M0S管，但栅极“浮置”于S102层内，与其 他部分均不相莲，处子完全绝缘的状态。如果在它的漏极和源极之间加上比正常工作电 压高的多的负电压（通常为-45V左右），则可使漏极与村底之间的PN结产生雪崩击穿，耗 尽区里的电子在强电场作用下以很高的速度从漏极的P+区向外射出，其中速度最快的一 部分电子穿过S02层而到达浮置栅，被浮置栅俘获而形成栅极存储电荷。这个过程就叫 做雪崩注入。漏极和源极间的高电压去掉以后，由于注入到栅极上的电荷没有放电通路， 所以能长久保存下来。在栅极获得足够的电荷以后，漏源间便形成导电沟道使浮置栅 MOS管导通。 7.8
第7章 半导体存储器 7.8 只读存储器 用浮置栅MOS管操作存储单元时，还要用一只普通的P沟道MOS管与之串联，如图7.5 所示。这只普通MOS管的栅极受字线控制。产品在出厂时所有的浮置栅MOS管都处于截止 状态。在进行写入操作时，首先输入选好的地址，使需要写入数据的那些单元所在字线 为低电平。然后，在应该写入1的那些位线上加入负脉冲，使被选中的单元内浮置栅MOS 管发生雪崩击穿，存储单元记入1。 在读出数据时，只需要输入指定的地址代码，相应的字线便给出低电平。这根字线 所接的一行存储单元中栅极已注入电荷的浮置栅MOS管导通，使所接的位线变成高电平， 读出1；栅极未注入电荷的浮置栅MOS管截止，所连接的位线为低电平，读出0。 浮置栅MOS管本身是一个P沟道增强型的MOS管，但栅极“浮置”于SiO2层内，与其 他部分均不相连，处于完全绝缘的状态。如果在它的漏极和源极之间加上比正常工作电 压高的多的负电压(通常为-45V左右)，则可使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿，耗 尽区里的电子在强电场作用下以很高的速度从漏极的P+区向外射出，其中速度最快的一 部分电子穿过SiO2层而到达浮置栅，被浮置栅俘获而形成栅极存储电荷。这个过程就叫 做雪崩注入。漏极和源极间的高电压去掉以后，由于注入到栅极上的电荷没有放电通路， 所以能长久保存下来。在栅极获得足够的电荷以后，漏-源间便形成导电沟道使浮置栅 MOS管导通
第7章半导体存储器 只读存储器 若要擦去所写入的信号，可用EPROM擦洗器产生的强紫外线，穿过EPROM芯片的石英 玻璃窗口，对所有浮栅照射几分钟，使浮栅上的电子获得足够的光子能量，而穿过绝修 十层回到村底中。这样芯片就又恢复到初始状态，即全部单元都为1。三般可以擦写几直 次。擦写后要用黑胶纸把芯片的玻璃窗口封好，以防光线干扰片内存储信息。这样所存 数据可保存10年。 2.E2PROM EPOM只需在高电压脉冲或在工作电压下就可以进行擦除，而不要借助紫外线照射， 所以比EPROM更灵活方便，而且还有字擦除（只擦一个或一些字）协能。 E2PROM的一个存储单元如图7：6所示，图中T2为门控管，T1是另P种叠层栅M0S管，称为 浮栅隧道氧化层MoS管(Floating gate Tunnel0xide),简称F1otox管。它的结构如图 7.7所示。 W字线) 道区 图7.6E2PR0M存储单元 图7.7 Flotox管的结构和图形符号 7.9
第7章 半导体存储器 7.9 只读存储器 若要擦去所写入的信号，可用EPROM擦洗器产生的强紫外线，穿过EPROM芯片的石英 玻璃窗口，对所有浮栅照射几分钟，使浮栅上的电子获得足够的光子能量，而穿过绝缘 层回到衬底中。这样芯片就又恢复到初始状态，即全部单元都为1。一般可以擦写几百 次。擦写后要用黑胶纸把芯片的玻璃窗口封好，以防光线干扰片内存储信息。这样所存 数据可保存10年。 2．E2PROM E 2PROM只需在高电压脉冲或在工作电压下就可以进行擦除，而不要借助紫外线照射， 所以比EPROM更灵活方便，而且还有字擦除(只擦一个或一些字)功能。 E2PROM的一个存储单元如图7.6所示，图中T2为门控管，T1是另一种叠层栅MOS管，称为 浮栅隧道氧化层MOS管(Floating gate Tunnel Oxide)，简称Flotox管。它的结构如图 7.7所示。 图7.6 E2PROM存储单元 Wi(字线) Gc Bj Gc Gc Gf 图7.7 Flotox管的结构和图形符号
第7章半导体存储器 只读存储器 F1otox管属于N沟道增强型的MOS管，它有两个栅极，上面与引出线的栅极为控制栅 _Gc 下面无引出线的栅极是浮置栅G。F1otox管的浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄 (厚度在2×10▣以下)的区域，这个区域称为隧道区。 加到控制栅G和漏极D上的电压是通过浮置栅漏极间的电容和浮置栅一控制栅间的电 容分压加到隧道区上的。为了使加到隧道区上的电压尽量大，需要尽可能减小浮置栅和 漏极间的电容，因而要求把隧道区的面积作得非常小。可见，在制作F1ot0x管时对隧道 区氧化层的厚度、面积和耐压的要求都很严格 为了提高擦、写的可靠性，并保护隧道区超薄氧化层，在PROM的存储单元中除了 F1otox管以外还附加了一个选通管，如图7,6所示。图中的t为1otox管（他称作存储管）， T2为普通N沟道增强型MOS管（也称选通管）。根据浮栅上是否充有负电荷来区分单元的1或 0状态。 如图7.6所示电路使1、B接地，则T,导通，T漏极(D)接近地电位，然后在擦写 栅G加上21V正脉冲，就可以在浮栅与漏极区之间的极薄绝缘层内出现隧道，通过隧道效 应，使电子注入浮栅，正脉冲过后，浮栅将长期积存这些电子电荷；若使擦写栅GC接地、 W=1、B加上21V正脉冲，使T1漏极获得大约+20V的高电压，则浮栅上的电子通过隧道返 回村底，从而擦除了浮栅内的电子电荷。 正常工作时擦写栅加+3V电压，浮摄积有电子电荷时，T不能导通，浮栅无电子电荷 时，T导通。 7.10
第7章 半导体存储器 7.10 只读存储器 Flotox管属于N沟道增强型的MOS管，它有两个栅极，上面与引出线的栅极为控制栅 GC，下面无引出线的栅极是浮置栅Gf。Flotox管的浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄 (厚度在2×10-8m以下)的区域，这个区域称为隧道区。 加到控制栅GC和漏极D上的电压是通过浮置栅-漏极间的电容和浮置栅-控制栅间的电 容分压加到隧道区上的。为了使加到隧道区上的电压尽量大，需要尽可能减小浮置栅和 漏极间的电容，因而要求把隧道区的面积作得非常小。可见，在制作Flotox管时对隧道 区氧化层的厚度、面积和耐压的要求都很严格。 为了提高擦、写的可靠性，并保护隧道区超薄氧化层，在E2PROM的存储单元中除了 Flotox管以外还附加了一个选通管，如图7.6所示。图中的T1为Flotox管(也称作存储管)， T2为普通N沟道增强型MOS管(也称选通管)。根据浮栅上是否充有负电荷来区分单元的1或 0状态。 如图7.6所示电路使Wi=1、Bj接地，则T2导通，T1漏极(D1)接近地电位，然后在擦写 栅GC加上21V正脉冲，就可以在浮栅与漏极区之间的极薄绝缘层内出现隧道，通过隧道效 应，使电子注入浮栅，正脉冲过后，浮栅将长期积存这些电子电荷；若使擦写栅GC接地、 Wi=1、Bj加上21V正脉冲，使T1漏极获得大约+20V的高电压，则浮栅上的电子通过隧道返 回衬底，从而擦除了浮栅内的电子电荷。 正常工作时擦写栅加+3V电压，浮栅积有电子电荷时，T1不能导通；浮栅无电子电荷 时，T1导通