4只讀存儲器和閃速存儲器

1、1,3.4 只讀存儲器和閃速存儲器,一、只讀存儲器,可編程ROM：用戶后寫入內(nèi)容，有些可以多次寫入。 一次性編程的PROM 多次編程的EPROM和E2PROM。,ROM叫做只讀存儲器。顧名思義，只讀的意思是在它工作時只能讀出，不能寫入。然而其中存儲的原始數(shù)據(jù)，必須在它工作以前寫入。只讀存儲器由于工作可靠，保密性強，在計算機系統(tǒng)中得到廣泛

2、的應(yīng)用。主要有兩類：,掩模ROM：掩模ROM實際上是一個存儲內(nèi)容固定的ROM， 由生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)品。,2,1、掩模ROM,(1)、掩模ROM的陣列結(jié)構(gòu)和存儲元,截止表示存0,導(dǎo)通表示存1,當(dāng)行選線與MOS管柵極連接時，MOS管導(dǎo)通，列線上為高電平，表示該存儲元存1。,當(dāng)行選線與MOS管柵極不連接時，MOS管截止，表示該存儲元存0。,3,掩膜ROM實際上是一個存儲內(nèi)容固定的ROM，由生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)

3、品。它包括廣泛使用的具有標(biāo)準(zhǔn)功能的程序或數(shù)據(jù)，或提供用戶定做的具有特殊功能的程序或數(shù)據(jù)，當(dāng)然這些程序或數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換成二進制碼。一旦ROM芯片片做成，就不能改變其中的存儲內(nèi)容。大部分ROM芯片利用在行選線交叉點上的晶體管是導(dǎo)通或截止來表示存1或存0。,圖表示一個16×8位的ROM陣列結(jié)構(gòu)示意圖。地址輸入線有4條，單譯碼結(jié)構(gòu)，因此ROM的行選線為16條，對應(yīng)16個字16個存儲單元，每個字的長度為8位，所以列選線為8條。行、列線交叉點

4、是一個MOS管存儲元。當(dāng)行選線與MOS管柵極連接時，MOS管導(dǎo)通，列線上為高電平，表示該存儲元存1。當(dāng)行選線與MOS管柵極不連接時，MOS管截止，表示該存儲元存0。此處存1、存0的工作，在生產(chǎn)商廠制造ROM芯片時就做好了。,4,（2）、掩模ROM的邏輯符號和內(nèi)部邏輯框圖,圖(a)是掩膜ROM的邏輯符號，(b)為內(nèi)部邏輯框圖。ROM有三組信號線：地址線8條，所以ROM的存儲容量為28=256個字，數(shù)據(jù)線4條，對應(yīng)字長4位?？刂凭€兩條E0、

5、E1，二者是“與”的關(guān)系，可以連在一起。當(dāng)允許ROM讀出時，E0=E1為低電平，ROM的輸出緩沖器被打開，4位數(shù)據(jù)O3～O0便讀出。,5,2、可編程ROM,EPROM叫做光擦除可編程可讀存儲器。它的存儲內(nèi)容可以根據(jù)需要寫入，當(dāng)需要更新時將原存儲內(nèi)容抹去，再寫入新的內(nèi)容。,(1)、EPROM存儲元,當(dāng)G1柵有電子積累時，該MOS管的開啟電壓變得很高，即使G2柵為高電平，該管仍不能導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲了“0”。反之，G1柵無電子積累時，MOS

6、管的開啟電壓較低，當(dāng)G2柵為高電平時，該管可以導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲了“1”。,6,現(xiàn)以浮柵雪崩注入型MOS管為存儲元的EPROM為例進行說明，結(jié)構(gòu)如圖(a)所示，圖(b)是電路符號。若在漏極D端加上約幾十伏的脈沖電壓，使得溝道中的電場足夠強，則會造成雪崩，產(chǎn)生很多高能量電子。此時，若在G2柵上加上正電壓，形成方向與溝道垂直的電場，便可使溝道中的電子穿過氧化層而注入到G1柵，從而使G1柵積累負(fù)電荷。由于G1柵周圍都是絕緣的二氧化硅層，泄漏

7、電流極小，所以一旦電子注入到G1柵后，就能長期保存。,當(dāng)G1柵有電子積累時，該MOS管的開啟電壓變得很高，即使G2柵為高電平，該管仍不能導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲了“0”。反之，G1柵無電子積累時，MOS管的開啟電壓較低，當(dāng)G2柵為高電平時，該管可以導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲了“1”。,7,圖(d)示出了讀出時的電路，它采用二維譯碼方式：x地址譯碼器的輸出xi與G2柵極相連，以決定T2管是否選中；y地址譯碼器的輸出yi與T1管柵極相連，控制其數(shù)據(jù)是否讀出。

8、當(dāng)片選信號CS為高電平即該片選中時，方能讀出數(shù)據(jù)。,這種器件的上方有一個石英窗口，如圖(c)所示。當(dāng)用光子能量較高的紫外光照射G1浮柵時，G1中電子獲得足夠能量，從而穿過氧化層回到襯底中，如圖(e)所示。這樣可使浮柵上的電子消失，達到抹去存儲信息的目的，相當(dāng)于存儲器又存了全“1”。,這種EPROM出廠時為全“1”狀態(tài)，使用者可根據(jù)需要寫“0”。寫“0”電路如圖(f)所示，xi和yi選擇線為高電位，P端加20多伏的正脈沖，脈沖寬度為0.

9、1～1ms。EPROM允許多次重寫。抹去時，用40W紫外燈，相距2cm，照射幾分鐘即可。,8,(2)、E2PROM存儲元,9,這種存儲器在出廠時，存儲內(nèi)容為全“1”狀態(tài)。使用時，可根據(jù)要求把某些存儲元寫“0”。寫“0”電路如圖(d)所示。漏極D加20V正脈沖P2, G2柵接地，浮柵上電子通過隧道返回襯底，相當(dāng)于寫“0”。E2PROM允許改寫上千次，改寫（先抹后寫）大約需20ms，數(shù)據(jù)可存儲20年以上。E2PROM讀出時的電路如圖(

10、e)所示，這時G2柵加3V電壓，若G1柵有電子積累，T2管不能導(dǎo)通，相當(dāng)于存“1”；若G1柵無電子積累，T2管導(dǎo)通，相當(dāng)于存“0”。,EEPROM，叫做電擦除可編程只讀存儲器。其存儲元是一個具有兩個柵極的NMOS管，如圖(a)和(b)所示，G1是控制柵，它是一個浮柵，無引出線；G2是抹去柵，它有引出線。在G1柵和漏極D之間有一小面積的氧化層，其厚度極薄，可產(chǎn)生隧道效應(yīng)。如圖(c)所示，當(dāng)G2柵加20V正脈沖P1時，通過隧道效應(yīng)，電子由襯

11、底注入到G1浮柵，相當(dāng)于存儲了“1”。利用此方法可將存儲器抹成全“1”狀態(tài)。,10,二、閃速存儲器,FLASH存儲器也翻譯成閃速存儲器，它是高密度非失易失性的讀/寫存儲器。高密度意味著它具有巨大比特數(shù)目的存儲容量。非易失性意味著存放的數(shù)據(jù)在沒有電源的情況下可以長期保存?？傊?，它既有RAM的優(yōu)點，又有ROM的優(yōu)點，稱得上是存儲技術(shù)劃時代的進展。,11,1、FLASH存儲元,“0”狀態(tài)：當(dāng)控制柵加上足夠的正電壓時，浮空柵將儲存許多電子帶負(fù)

12、電，這意味著浮空柵上有很多負(fù)電荷，這種情況我們定義存儲元處于0狀態(tài)。,“1”狀態(tài)：如果控制柵不加正電壓，浮空柵則只有少許電子或不帶電荷，這種情況我們定義為存儲元處于1狀態(tài)。,浮空柵上的電荷量決定了讀取操作時，加在柵極上的控制電壓能否開啟MOS管，并產(chǎn)生從漏極D到源極S的電流。,12,FLASH存儲元在EPROM存儲元基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由此可以看出創(chuàng)新與繼承的關(guān)系。如圖所示為閃速存儲器中的存儲元，由單個MOS晶體管組成，除漏極D和源極

13、S外，還有一個控制柵和浮空柵。當(dāng)控制柵加上足夠的正電壓時，浮空柵將儲存許多電子帶負(fù)電，這意味著浮空柵上有很多負(fù)電荷，這種情況定義存儲元處于0狀態(tài)。如果控制柵不加正電壓，浮空柵只有少許電子或不帶電荷，這種情況定義為存儲元處于1狀態(tài)。浮空柵上的電荷量決定了讀取操作時，加在柵極上的控制電壓能否開啟MOS管，并產(chǎn)生從漏極D到源極S的電流。,13,2、FLASH存儲元的基本操作,編程操作：實際上是寫操作。所有存儲元的原始狀態(tài)均處“1”狀態(tài)，這是因

14、為擦除操作時控制柵不加正電壓。編程操作的目的是為存儲元的浮空柵補充電子，從而使存儲元改寫成“0”狀態(tài)。如果某存儲元仍保持“1”狀態(tài)，則控制柵就不加正電壓。如圖(a)表示編程操作時存儲元寫0、寫1的情況。實際上編程時只寫0，不寫1，因為存儲元擦除后原始狀態(tài)全為1。要寫0，就是要在控制柵C上加正電壓。一旦存儲元被編程，存儲的數(shù)據(jù)可保持100年之久而無需外電源。,14,讀取操作：控制柵加上正電壓。浮空柵上的負(fù)電荷量將決定是否可以開啟MOS晶

15、體管。如果存儲元原存1，可認(rèn)為浮空柵不帶負(fù)電，控制柵上的正電壓足以開啟晶體管。如果存儲元原存0，可認(rèn)為浮空柵帶負(fù)電，控制柵上的正電壓不足以克服浮動?xùn)派系呢?fù)電量，晶體管不能開啟導(dǎo)通。,當(dāng)MOS晶體管開啟導(dǎo)通時，電源VD提供從漏極D到源極S的電流。讀出電路檢測到有電流，表示存儲元中存1，若讀出電路檢測到無電流，表示存儲元中存0，如圖(b)所示。,15,擦除操作：所有的存儲元中浮空柵上的負(fù)電荷要全部洩放出去。為此晶體管源極S加上正電壓，這與編

16、程操作正好相反，見圖(c)所示。源極S上的正電壓吸收浮空柵中的電子，從而使全部存儲元變成1狀態(tài)。,16,3、FLASH存儲器的陣列結(jié)構(gòu),（參見教材P85下面；P86上面表）,17,FLASH存儲器的簡化陣列結(jié)構(gòu)如圖所示。在某一時間只有一條行選擇線被激活。讀操作時，假定某個存儲元原存1，那么晶體管導(dǎo)通，與它所在位線接通，有電流通過位線，所經(jīng)過的負(fù)載上產(chǎn)生一個電壓降。這個電壓降送到比較器的一個輸入端，與另一端輸入的參照電壓做比較，比較器輸