16电子技术(第22章半导体存储器)20091027-275401447解析.ppt

清华大学电机系唐庆玉清华大学电机系唐庆玉1997年制作年制作如发现有人剽窃必定追究！如发现有人剽窃必定追究！第第2222章章 半导体存储器半导体存储器版权所有，他人盗版上网或出版光盘必究。清华大学唐庆玉千岛湖风光22.1 只读存储器（只读存储器（ROM）22.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）22.3 存储器容量的扩展存储器容量的扩展千岛湖画面属唐庆玉个人创千岛湖画面属唐庆玉个人创作，青山緑水蓝天白云，剽作，青山緑水蓝天白云，剽窃必究窃必究清华大学电机系电工学教研室清华大学电机系电工学教研室 唐庆玉编唐庆玉编第第22章章 半导体存储器半导体存储器22.1 只读存储器（只读存储器（ROM）22.1.1 掩膜掩膜ROM 22.1.2 可编程可编程ROM(PROM)22.1.3 可紫外线擦除的可紫外线擦除的PROM（EPROM）22.1.4 可电擦除的可电擦除的PROM（E2PROM）22.1.5 闪速存储器闪速存储器22.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）22.2.1 静态静态RAM（SRAM）22.2.2 动态动态RAM（DRAM）22.3 存储器容量的扩展存储器容量的扩展22.4 存储器的应用存储器的应用关于三态门回顾关于三态门回顾AYAY普通门电路普通门电路三态门电路三态门电路控制端高电平有效控制端高电平有效控制端为低电平时控制端为低电平时输出浮空（高阻状态）输出浮空（高阻状态）控制端低电平有效控制端低电平有效控制端为高电平时控制端为高电平时输出浮空（高阻状态）输出浮空（高阻状态）同相输出同相输出反相输出反相输出当控制端为当控制端为高电平时高电平时当控制端为当控制端为低电平时低电平时AYAYGG控制端控制端AYAYGG三态门的使用三态门的使用三态门电路的使用三态门电路的使用普通门电路输普通门电路输出端不能连在出端不能连在一起，否则输一起，否则输出端出端短路短路。三态门电路输出端可三态门电路输出端可以连在一起，但不能同时以连在一起，但不能同时开通，否则输出端开通，否则输出端短路短路。YABG控制信号控制信号G=1时，时，Y=AG=0时，时，Y=BG=0时，时，Y=AG=1时，时，Y=BYABG控制信号控制信号关于地址译码器回顾关于地址译码器回顾2线线 4线译码器线译码器 型号型号:74LS1393 线线 8线译码器线译码器 型号型号:74LS1384 线线 16线译码器线译码器 型号型号:74LS154例如：例如：2 2 线线 4 4线译码器线译码器 BAY1Y3Y0Y2真值表真值表B A Y3 Y2 Y1 Y00 0 1 1 1 00 1 1 1 0 11 0 1 0 1 11 1 0 1 1 1 当输入不同编码时，输当输入不同编码时，输出只有一位为出只有一位为0地址线数地址线数n 寻址范围寻址范围(可选择的单元数可选择的单元数)n 2n 2 22=4 3 23=8 4 24=16 16(单片机单片机)216=64K (1K=1024)20(PC/XT)220=1M (1M=1KK)26(PC586)226=64M地址线的条数与寻址范围的关系地址线的条数与寻址范围的关系开启电压开启电压UGS(th)=12V转移特性曲线转移特性曲线IDUGSUGS（th）IDO2UGS（th）关于场效应管回顾关于场效应管回顾GSDNNP内部结构示意图内部结构示意图GSD电路符号电路符号IDUDSUGSGSDRDVmA测试电路测试电路由由NMOS场效应管构成的场效应管构成的开关电路开关电路A=+5V时，场效应管导通，相当于开关闭合时，场效应管导通，相当于开关闭合A=0V时，时，场效应管场效应管阻断，相当于开关断开阻断，相当于开关断开AGSD+5VR增强型增强型NMOS管管增强型增强型NMOS管管转移特性曲线转移特性曲线IDUGSUGS（th）IDO2UGS（th）开启电压开启电压UGS(th)=12V由由PMOS场效应管构成的场效应管构成的开关电路开关电路AGSD+5VR增强型增强型PMOS管管A=+5V时，时，UGS=0V，场效应管阻断，相当于开关断开，场效应管阻断，相当于开关断开A=0V时，时，UGS=5V，场效应管场效应管导通，相当于开关闭合导通，相当于开关闭合IDUGSUGS（th）增强型增强型PMOS管转移特性管转移特性UGS（th）2V由增强型由增强型NMOS管构成的管构成的非门非门和和触发器触发器若若A=1，则，则B=0，稳定，稳定若若A=0，则，则B=1，稳定，稳定相当于一个电阻相当于一个电阻若若A=1，T2导通，则导通，则Y=0若若A=0，T2阻断，则阻断，则Y=1ASDGGSD+5VY负载管负载管非门非门T2T1ASDGSD+5VBSDGGSDG触发器触发器由由2个非门组成个非门组成CMOS（PMOS+NMOS)非门非门A NMOS PMOS Y0 断断 通通 11 通通 断断 0ASDGGSD+5VYNMOSPMOS22.1 只读存储器（只读存储器（ROM）只读存储器只读存储器（Read Only Memory，ROM）功能：功能：存储程序或数据，掉电后仍保留存储程序或数据，掉电后仍保留只读存储器只读存储器分类：分类：（1）掩膜）掩膜ROM（2）可编程）可编程ROM(PROM)（3）可紫外线擦除的）可紫外线擦除的PROM（EPROM)（4）可电擦除的）可电擦除的PROM（EEPROM,E2PROM)（5）闪速存储器（）闪速存储器（Flash Memory）只读存储器只读存储器（ROM）存储器存储器随机存取存储器随机存取存储器(RAM)一般作为计算机的一般作为计算机的内存内存1 二极管阵列的掩膜二极管阵列的掩膜ROM A1A0 W3W2 W1 W0 D3D2D1D00 0 0 0 0 10 1 0 0 1 01 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0每个单元所存数据每个单元所存数据二极管二极管存储存储阵列阵列输出输出三态门三态门位线位线(Y)字线字线(X)22.1.1 掩膜掩膜ROM 地地址址线线数据线数据线输出使能输出使能片选信号片选信号字字地地址址译译码码器器W0W1W2W3A1A0D3 D2 D1 D01 接接有有二二极极管管的的位位，存存储储的的是是1；未未接接二二极极管的位存储的是管的位存储的是0。地址译码器输地址译码器输出出W=1有效有效1 1 1 00 1 0 11 1 0 00 0 1 12 MOS管阵列的掩膜管阵列的掩膜ROM0单元00011单元10102单元00113单元1100原理：接有原理：接有FET的位，存储的是的位，存储的是？未接未接FET的位，存储的是的位，存储的是？负载管（相当负载管（相当于一个电阻）于一个电阻）场效应管场效应管存贮存贮阵列阵列字地址译码器W0W1W2W3A1A0数据线数据线+VCC输出三态门位线位线（Y）字线字线（X）D3 D2 D1 D0输出使能片选信号1地地址址线线地址译码器输地址译码器输出出W=1有效有效0122.1.2 可编程可编程ROM(PROM)字线(X)位 线(Y)熔断丝（1）出厂时所有二极）出厂时所有二极管都串有熔丝，因此管都串有熔丝，因此所有位存的都是所有位存的都是1。熔丝式熔丝式PROM原理原理 回忆：二极管阵列回忆：二极管阵列ROM 接接有有二二极极管管的的位位，存存储储的的是是1；未未接接二二极极管管的的位位存存储储的是的是0。熔丝式熔丝式PROM电路原理电路原理（2）编程时用专用）编程时用专用编程器编程器可将指定的熔丝熔断。可将指定的熔丝熔断。（3）熔断后的位存的是）熔断后的位存的是0，未熔断的位存的是，未熔断的位存的是1。（）编程是一次性的。（）编程是一次性的。编程器包括硬编程器包括硬件板和软件，电件板和软件，电子市场有售。子市场有售。22.1.3 可紫外线擦除可紫外线擦除PROMEPROMP沟道沟道EPROM结构示意图结构示意图电极PPN基体DSSiO2浮空多晶硅栅EPROM管字线位线+VCCEPROM电路结构及编程原理电路结构及编程原理 用紫外线照射十几分钟后，使浮空多晶硅栅中的电子泄漏，称用紫外线照射十几分钟后，使浮空多晶硅栅中的电子泄漏，称为为“擦除擦除”，擦除后可重新编程。，擦除后可重新编程。EPROM编程原理编程原理 对对EPROM管进行编程时，地址译码器选中该单元，并在管进行编程时，地址译码器选中该单元，并在D和和S之间加之间加上上VPP=+25V的高电压并加上编程脉冲。的高电压并加上编程脉冲。VPP编程电源编程电源电极PPN基体DSSiO2浮空多晶硅栅01EPROM管字线+VCC+导电通道导电通道 使使D和和S被瞬间击穿，就会有电子通过绝缘层注入到浮空多晶硅栅中，当高被瞬间击穿，就会有电子通过绝缘层注入到浮空多晶硅栅中，当高压电源去除后，因为硅栅被绝缘层包围，注入的电子不会泄露，硅栅就为负。压电源去除后，因为硅栅被绝缘层包围，注入的电子不会泄露，硅栅就为负。于是在两个于是在两个P区之间就形成了导电沟道，从而使区之间就形成了导电沟道，从而使EPROM管导通。管导通。因此该单元存贮的内容被改写为因此该单元存贮的内容被改写为“0”，而没有选中的单元存贮的内容仍为，而没有选中的单元存贮的内容仍为“1”。编程：编程：擦除：擦除：22.1.4 可电擦除的可电擦除的PROM（E2PROM）电路结构）电路结构自学自学漏极DP基体SiO2NN控制栅GC浮置栅Gf源极S隧道区DSGC位线字线GCT1T2负载管+VDD自学自学22.1.5 闪速存储器闪速存储器DSGCDSSiO2浮置栅漏极源极控制栅GC隧道区P基体NN 闪速存储器的存储单元闪速存储器的存储单元负载管位线字线+VDD闪速存储管 闪速存储管的符号闪速存储管的符号Intel公司的公司的EPROM类型类型常用的常用的Intel公司的公司的EPROM的型号及容量如下：的型号及容量如下：型号型号 容量容量2716 2K8位位2732 4K8位位2764 8K8位位27128 16K8位位27256 32K8位位27162764石英玻璃窗石英玻璃窗（擦除时照（擦除时照射紫外线用，编程后用射紫外线用，编程后用不干胶封上，防止光线不干胶封上，防止光线照射使数据丢失）照射使数据丢失）集成电路集成电路（约（约4mm 6mm）EPROM 2716引脚图引脚图(2K 8bits)1 23456789101112242322212019181716151413A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GND2716引脚图VCCA8A9VPPOEA10CE/PGMO7O6O5O4O3工作电源5V编程电源25V片选信号（低电平有效）/编程控制输出使能信号（低电平有效）A10A0 11位地址O7O0 8位数据，三态输出EPROM 2716内部结构框图内部结构框图片选信号片选信号输出使能信号输出使能信号控制信号控制信号三态门三态门8位输出数据位输出数据11位地址信号位地址信号2K 8bits=1024 2 8bits=16Kbits=128行行 128列列747位地址译码后选中位地址译码后选中128行中的一行行中的一行128列中每列中每8位一位一组，共组，共16组组4位地址译码后选中位地址译码后选中16组中的一组（组中的一组（8位）位）16K位位存储矩阵存储矩阵(128 128)X地址地址译码器译码器Y地址地址译码器译码器输出缓冲器输出缓冲器A0A6A7 A10Y门门片选及片选及编程逻辑编程逻辑O7 O0OECE/PGM8位位 16组组8 128 22.3 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 例例1 用用4片片EPROM2716(2K 8bits)组成组成8K的程序存储器，输入的程序存储器，输入13位地址为位地址为A12A0，用，用24译码器译码器74139作为片选地址译码器。画出接线图，并用作为片选地址译码器。画出接线图，并用16进制写出每片进制写出每片EPROM的地址范围。的地址范围。A10A0O7O0EPROM2716#3A10A0O7O0EPROM2716#0A10A0O7O0EPROM2716#1A10A0O7O0EPROM2716#2数据总线数据总线读信号线读信号线A10A0G1B1A74139A11A12Y0Y1Y2Y3A12 A11 Y3 Y2 Y1 Y0 0 0 1 1 1 00 1 1 1 0 11 0 1 0 1 121 1 0 1 1 11.EPROM片选信号地址译码器设计片选信号地址译码器设计例例1 EPROM片选译码器设计片选译码器设计(续）续）A10A0O7O0EPROM2716#3A10A0O7O0EPROM2716#0A10A0O7O0EPROM2716#1A10A0O7O0EPROM2716#2数据总线数据总线读信号线读信号线A10A0G1B1A74139A11A12Y0Y1Y2Y3A12 A11 Y3 Y2 Y1 Y0 0 0 1 1 1 00 1 1 1 0 11 0 1 0 1 121 1 0 1 1 1A12 A11A10 A0地址范围0 00 000000000000 111111111110000H07FFH0 10 100000000000 111111111110800H0FFFH1 01 000000000000 111111111111000H17FFH1 11 100000000000 111111111111800H1FFFHA13A0O7O0EPROM27128#3A13A0O7O0EPROM27128#0A13A0O7O0EPROM27128#1A13A0O7O0EPROM27128#2数据总线读信号线A13A0G1B1A74139A14A15Y0Y1Y2Y3例例2 用用4片片EPROM27128(16K 8bits)组成组成64K的程序存储器，输入的程序存储器，输入16位地址位地址为为A15A0，用，用24译码器译码器74139作为片选地址译码器。画出接线图，并用作为片选地址译码器。画出接线图，并用16进制写出每片进制写出每片EPROM的地址范围。的地址范围。#3:1100000000000000B1111111111111111B,C000HFFFFH#2:1000000000000000B1011111111111111B,8000HBFFFH#1:0100000000000000B0111111111111111B,4000H7FFFH#0:0000000000000000B0011111111111111B,0000H3FFFH地址范围22.2 随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）随机存取存储器随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）功能：功能：存储程序或数据，可随机读写，掉电后消失存储程序或数据，可随机读写，掉电后消失RAM分类分类（1）静态）静态RAM（不需要刷新逻辑）（不需要刷新逻辑）(a)TTL集成电路（集成度小集成电路（集成度小(256 8)，速度快，速度快25ns）(b)ECL集成电路（集成度小集成电路（集成度小(256 8)，速度最快，速度最快10ns）(c)MOS集成电路（集成度大集成电路（集成度大(64k 8),速度速度100ns)（2）动态）动态RAM（需要刷新逻辑）（需要刷新逻辑）MOS集成电路集成电路(128M 1bit,256M 1bit)RAM用途用途静态静态RAM：集成度低，用于单片机系统：集成度低，用于单片机系统动态动态RAM：集成度高，用于：集成度高，用于PC机系统（内存条）机系统（内存条）触发器触发器22.2.1 静态静态RAMXi+VCCDDT2T1T4T3T5T6Yi接接X地址地址译码器译码器接接Y地址译码器地址译码器输入输出数据输入输出数据I/OWE写控制写控制1#1#2#3QQT7T8OE读控制读控制选通时为选通时为1选通时为选通时为10有效有效0有效有效MOS静态静态RAM的结构的结构开关开关开关开关开关开关开关开关MOS静态静态RAM存储单元的存储单元的写写操作操作Xi+VCCDDT2T1T4T3T5T6Yi接X地址译码器接Y地址译码器输入输出数据I/OWE写控制1#1#2#3QQT7T8OE读控制例：写入数据例：写入数据110110011110MOS静态静态RAM存储单元的存储单元的读读操作操作Xi+VCCDDT2T1T4T3T5T6Yi接X地址译码器接Y地址译码器输入输出数据I/OWE写控制1#1#2#3QQT7T8OE读控制10110101110设存储数据为设存储数据为Q=1常用静态常用静态RAM的型号的型号（1）常用的静态）常用的静态RAM有以下几种：有以下几种：型号型号 容量容量 2114 1K4bits 6116 2K8bits 6264 8K8bits（2）静态）静态RAM的引脚的引脚A9A0地址片选读/写控制数据RAM2114I/O3I/O010A10A0I/O7I/O0地址片选读控制数据RAM6116写控制11A12A0I/O7I/O0地址片选读控制数据RAM6264写控制13A9A0A9A0I/O3I/O0RAM2114A9A0RAM2114A9A0RAM2114A9A0RAM2114D7D4D3D01I/O3I/O0I/O3I/O0I/O3I/O0A10地址译码器22.3.2 静态静态RAM片选信号地址译码器设计片选信号地址译码器设计 例例1 用用4片静态片静态RAM2114(1K 4bits)组成组成2K 8bits的数据存储器，输入的数据存储器，输入11位地址位地址A10A0和和8位数据位数据D7D0，用与非门设计片选地址译码器。画出接线图，并用，用与非门设计片选地址译码器。画出接线图，并用16进制码进制码写出每写出每1K 8bitsRAM的地址范围。的地址范围。000 0000 0000B 011 1111 1111B=000H3FFH 100 0000 0000B 111 1111 1111B=400H7FFH例例2 用用8片静态片静态RAM6264(8K 8bits)组成组成64K 8bits的数据存储器，输入的数据存储器，输入16位地位地址址A15A0和和8位数据位数据D7D0，用，用74LS138设计片选地址译码器，画出接线图，并设计片选地址译码器，画出接线图，并用用16进制码写出每片进制码写出每片6264的地址范围。的地址范围。静态静态RAM片选信号地址译码器设计片选信号地址译码器设计C B A Y7 Y00 0 0 仅仅Y0 为为0，其他都为，其他都为11 1 1 仅仅Y7为为0，其他都为，其他都为174LS138功能表功能表若若G1为低电平，或为低电平，或G2A、G2B之一为高电平，则输出之一为高电平，则输出全为全为1。若若G1、G2A、G2B全为有效全为有效电平时，功能表如下：电平时，功能表如下：A3线线8线译码器线译码器74LS138G1CB地址+5V读控制读控制写控制写控制例例2 用用8片片6264(8K 8bits)组成组成64K 8bits的数据存储器的数据存储器A12A0D7D06264I/O7I/O0#0A12A06264I/O7I/O0#1A12A06264I/O7I/O0#7A12A0AG1CB+5VA15A14A1374LS138#0存储器地址范围存储器地址范围A15A14A13 A12 A0 A15A14A13 A12 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1=0000H 1FFFH例例2 用用8片片6264(8K 8bits)组成组成64K 8bits的数据存储器的数据存储器（续）（续）地址范围地址范围 A15A14A13 A12 A0 A15A14A13 A12 A0存储器存储器编号编号#1：0010 0000 0000 0000B 0011 1111 1111 1111B=2000H3FFFH#2：0100 0000 0000 0000B 0101 1111 1111 1111B=4000H5FFFH#3：0110 0000 0000 0000B 0111 1111 1111 1111B=6000H7FFFH#4：1000 0000 0000 0000B 1001 1111 1111 1111B=8000H9FFFH#5：1010 0000 0000 0000B 1011 1111 1111 1111B=A000HBFFFH#6：1100 0000 0000 0000B 1101 1111 1111 1111B=C000HDFFFH#7：1110 0000 0000 0000B 1111 1111 1111 1111B=E000HFFFFH#0：0000 0000 0000 0000B 0001 1111 1111 1111B=0000H1FFFH本课重点本课重点（1）二极管阵列、）二极管阵列、MOS管阵列掩模管阵列掩模ROM的原理。的原理。（2）静态）静态RAM的原理。的原理。（3）用）用74LS139、74LS138译码器和门电路译码器和门电路设计设计存储器的片选地址存储器的片选地址译码器。译码器。（4）分析分析存储器的片选地址译码器电路。存储器的片选地址译码器电路。