半导体存储器和可编程逻辑器课件.ppt

第第7章章 半导体存储器和可编程逻辑器件半导体存储器和可编程逻辑器件7.1 概述概述1.集成电路分类集成电路分类 包括门、触发器、计数器、译码器、数据选择器包括门、触发器、计数器、译码器、数据选择器1）标准中小规模集成电路）标准中小规模集成电路标准产品的特点是：批量大，成本低，价格便宜是数字系统传统标准产品的特点是：批量大，成本低，价格便宜是数字系统传统设计中使用的主要逻辑器件设计中使用的主要逻辑器件缺点是：器件密度低，所构成的数字系统规模大，印刷线路板走线缺点是：器件密度低，所构成的数字系统规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，使电路的可靠性差，功耗大复杂，焊点多，使电路的可靠性差，功耗大1（2）微处理器）微处理器缺点：工作速度不够高，另外，这类芯片一般要用多片标缺点：工作速度不够高，另外，这类芯片一般要用多片标准集成电路构成外围电路才能工作准集成电路构成外围电路才能工作这类电路的特点：器件密度高，逻辑功能可由软件配置，这类电路的特点：器件密度高，逻辑功能可由软件配置，用它所构成的数字系统硬件规模小，系统灵活性高用它所构成的数字系统硬件规模小，系统灵活性高2半导体存储器是现代数字系统特别是计算机中的重要组成半导体存储器是现代数字系统特别是计算机中的重要组成部分之一。

部分之一它用于存放二进制信息，每一片存储芯片包含它用于存放二进制信息，每一片存储芯片包含大量的存储单元，每一个存储单元由唯一的地址代码加以大量的存储单元，每一个存储单元由唯一的地址代码加以区分3）半导体存储器）半导体存储器3（4）专用集成电路（）专用集成电路（ASIC）（Application Specific Integrated Circuit）ASIC是为满足一种或几种特定功能而设计制造的集成电是为满足一种或几种特定功能而设计制造的集成电路芯片，密度高，路芯片，密度高，ASIC芯片能取代由若干个中小规模电芯片能取代由若干个中小规模电路组成的电路板，甚至一个完整的数字系统路组成的电路板，甚至一个完整的数字系统4ASIC分类：分类：ASIC属用户定制电路属用户定制电路Custom Design IC).包括全定制和半定制两种包括全定制和半定制两种全定制（全定制（Full custom design IC):半导体生产厂家根据用半导体生产厂家根据用户的特定要求专门设计并制造户的特定要求专门设计并制造特点：生产周期长，费用高，风险大在大批量定型产品特点：生产周期长，费用高，风险大在大批量定型产品中使用。

中使用半定制（半定制（Semi-custom design IC):半导体生产厂家设计半导体生产厂家设计并制造出的标准的半成品芯片并制造出的标准的半成品芯片5 在硅片上预先做好大量相同的基本单元电路，并把它整在硅片上预先做好大量相同的基本单元电路，并把它整齐地排成阵列，这种半成品芯片称为齐地排成阵列，这种半成品芯片称为母片母片母片母片可由厂家可由厂家大批量生产大批量生产当用户需制作满足特定要求的当用户需制作满足特定要求的ASIC芯片时，可根据设芯片时，可根据设计要求选择计要求选择母片母片，由用户或厂家设计出连线版图，再由器，由用户或厂家设计出连线版图，再由器件生产厂家经过件生产厂家经过金属连线金属连线等简单工艺，制成成品电路等简单工艺，制成成品电路缺点缺点：用户主动性差，使用不方便用户主动性差，使用不方便特点特点：周期较短，成本较低，风险小周期较短，成本较低，风险小半定制电路分类：半定制电路分类：门阵列门阵列（Gate Array)6 可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)(Programmable Logic Device)芯片上的电路和金属引线由半导体厂家做好，其逻辑功能芯片上的电路和金属引线由半导体厂家做好，其逻辑功能由用户开发实现。

由用户开发实现特点：集成度高，速度快，灵活性好，可重复编程电路特点：集成度高，速度快，灵活性好，可重复编程电路设计方便，风险低设计方便，风险低72.PLD器件的连接表示方法器件的连接表示方法固定连接固定连接可编程连接可编程连接不连接不连接（1）PLD 器件的连接表示法器件的连接表示法 8（2）门电路表示法）门电路表示法1AA1AAAA反向缓冲器反向缓冲器ABC&FA B C&F与门与门 9ABC1FA B C1F或门或门 缓冲器缓冲器10（3）阵列阵列图图1A1B1C&D=BCE=AABBCC=0F=AABBCC=0G=1117.2 半导体存储器半导体存储器7.2.1 半导体存储器概述半导体存储器概述半导体存储器半导体存储器是用半导体器件来存储二值是用半导体器件来存储二值信息的大规模集成电路信息的大规模集成电路优点优点:集成度高、功耗小、可靠性高、价格集成度高、功耗小、可靠性高、价格低、体积小、外围电路简单、便于自动化低、体积小、外围电路简单、便于自动化批量生产等批量生产等121.半导体存储器的分类半导体存储器的分类（1）按存取方式分类）按存取方式分类 只读存储器只读存储器（Read Only Memory，ROM）随机存取存储器随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）ROM存放固定信息存放固定信息,只能读出信息只能读出信息,不能写入信息不能写入信息.当当电源切断时电源切断时,信息依然保留信息依然保留.RAM可以随时从任一指定地址读出数据可以随时从任一指定地址读出数据,也可以也可以随时把数据写入任何指定的存储单元随时把数据写入任何指定的存储单元.13（2）按制造工艺分类）按制造工艺分类双极型半导体存储器双极型半导体存储器MOS型半导体存储器型半导体存储器以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、功耗大、以双极型触发器为基本存储单元，具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，如在计算价格较高的特点，主要用于对速度要求较高的场合，如在计算机中用作高速缓冲存储器。

机中用作高速缓冲存储器以以MOS触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成度高、触发器或电荷存储结构为基本存储单元，具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统功耗小、工艺简单、价格低的特点，主要用于大容量存储系统中，如在计算机中用作主存储器中，如在计算机中用作主存储器142.半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标（1）存储容量）存储容量 指存储器所能存放的二进制信息的总量指存储器所能存放的二进制信息的总量（2）存取时间）存取时间 一般用一般用读（或写）周期读（或写）周期来描述，连续两次读（或写）来描述，连续两次读（或写）操作的最短时间间隔称为读（或写）周期操作的最短时间间隔称为读（或写）周期157.2.2 只读存储器只读存储器(ROM)按数据的写入方式分类按数据的写入方式分类固定固定 ROM可编程可编程 ROM161.固定固定 ROM（1）ROM的结构的结构.A0A1An-1地地址址译译码码器器存储阵列存储阵列 2nmW0W1W2n-1F0 F1Fm-1字线字线位线位线地址线地址线171)1)地址译码器为二进制译码器地址译码器为二进制译码器,即全译码结构即全译码结构.(地址线为地址线为n根根,译码器输出为译码器输出为2n根字线根字线,说明存储阵列中有说明存储阵列中有2n个个存存储单元储单元)2)存储阵列输出有存储阵列输出有m根位线根位线,说明每个说明每个存储单元存储单元有有m位位,即即 一个字有一个字有m位二进制信息组成位二进制信息组成.每一位称为一个每一位称为一个基本存基本存 储单元储单元.3)存储器的容量定义为存储器的容量定义为:字数字数位数位数(2nm).18（2）一个二极管）一个二极管ROM的例子的例子A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 11 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 191A11A0&W0W1W2W3F0F1F2F3位线位线字线字线20 W0W3为地址译码器的输出为地址译码器的输出 Wi=mi (mi为地址码组成为地址码组成 的最小项）的最小项）当当A1A0=00时，时，W0=1,F0F1F2F3=0100(一个字）；一个字）；当当A1A0=01时，时，W1=1,F0F1F2F3=1001(一个字）；一个字）；当当A1A0=10时，时，W2=1,F0F1F2F3=0110(一个字）；一个字）；当当A1A0=11时，时，W3=1,F0F1F2F3=0010(一个字）。

一个字）21 将地址输入和将地址输入和Fi之间的关系填入真值表得：之间的关系填入真值表得：地址地址 数据数据A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 11 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 F0=A1A0F1=A1A0+A1A0F2=A1A0+A1A0F3=A1A0ROM实际是一种组合电路结构实际是一种组合电路结构22 阵列图阵列图与阵列：与阵列：表示译表示译码器或阵列：或阵列：表示存表示存储阵列存储容量为：存储容量为：44 地址地址 数据数据A1 A0 F0 F1 F2 F30 0 0 1 0 00 1 1 0 0 11 0 0 1 1 01 1 0 0 1 0 1A11A0&1111F0F1F2F3m0m1m2m3232.可编程可编程ROM用户可根据需要自行进行编程的存储器用户可根据需要自行进行编程的存储器.一次性可编程一次性可编程 ROM（Programmable Read Only Memory，PROM）光可擦除可编程光可擦除可编程ROM（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）电可擦除可编程电可擦除可编程 ROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory，E2PROM）快闪存储器快闪存储器（Flash Memory）24位线位线字线字线编程为一次性的编程为一次性的,烧断的熔丝烧断的熔丝不能再接上不能再接上.当在该位上需要存当在该位上需要存0时时,通过通过编程编程,烧断熔丝烧断熔丝;当需存当需存1时时,保留熔丝保留熔丝.（1）一次性可编程）一次性可编程 ROM（PROM）PROM的结构图的结构图25（2）光可擦除可编程）光可擦除可编程ROM（EPROM）EPROM 是一种可以多次擦除和改写内容的是一种可以多次擦除和改写内容的 ROM。

它与它与PROM 的总体结构相似，只是采用了不同的存储单元的总体结构相似，只是采用了不同的存储单元1）浮栅注入）浮栅注入 MOS 管（管（FAMOS 管）管）存储单元采用两只存储单元采用两只 MOS管管缺点：缺点：集成度低、击穿电压高、速度较慢集成度低、击穿电压高、速度较慢26层叠栅存储单元层叠栅存储单元 2）叠层栅注入）叠层栅注入 MOS 管（管（SIMOS 管）管）27叠层栅叠层栅MOS管剖面示意图管剖面示意图 控制栅控制栅与字线与字线 相连，控制信息的相连，控制信息的读出和写入读出和写入浮栅浮栅埋在二氧化硅绝缘层，埋在二氧化硅绝缘层，处于电处于电“悬浮悬浮”状态，状态，不与外部导通，注入电不与外部导通，注入电荷后可长期保存荷后可长期保存281 信息信息：出厂时所有存储单元的出厂时所有存储单元的浮栅均无电荷浮栅均无电荷，可认为全部存储了，可认为全部存储了1 信息0 信息信息：在在 SIMOS 管的漏极和源极（地）之间加上较高的电压（约管的漏极和源极（地）之间加上较高的电压（约 25V），形成雪崩击穿现象，产生大量高能电子形成雪崩击穿现象，产生大量高能电子同时在控制栅极上加高压正脉冲（同时在控制栅极上加高压正脉冲（50ms，25V），则在控制，则在控制栅正脉冲电压的吸引下，部分高能电子将穿过二氧化硅层到达栅正脉冲电压的吸引下，部分高能电子将穿过二氧化硅层到达浮栅，被浮栅俘获，浮栅注入电荷，浮栅，被浮。