4只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器

1、1,3.4 只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器,一、只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器。顧名思義，只讀的意思是在它工作時(shí)只能讀出，不能寫入。然而其中存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)，必須在它工作以前寫入。只讀存儲(chǔ)器由于工作可靠，保密性強(qiáng)，在計(jì)算機(jī)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(shí)際上是一個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)，MOS管導(dǎo)通，列線上為高電平，表示該存儲(chǔ)元存1。,當(dāng)行選線與MOS管柵極不連接時(shí)，MOS管截止，表示該存儲(chǔ)元存0。,3,掩膜ROM實(shí)際上是一個(gè)存儲(chǔ)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(jìn)制碼。一旦ROM芯片片做成，就不能改變其中的存儲(chǔ)內(nèi)容。大部分ROM芯片利用在行選線交叉點(diǎn)上的晶體管是導(dǎo)通或截止來(lái)表示存1或存0。,圖表示一個(gè)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(duì)應(yīng)16個(gè)字16個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)字的長(zhǎng)度為8位，所以列選線為8條。行、列線交叉點(diǎn)

4、是一個(gè)MOS管存儲(chǔ)元。當(dāng)行選線與MOS管柵極連接時(shí)，MOS管導(dǎo)通，列線上為高電平，表示該存儲(chǔ)元存1。當(dāng)行選線與MOS管柵極不連接時(shí)，MOS管截止，表示該存儲(chǔ)元存0。此處存1、存0的工作，在生產(chǎn)商廠制造ROM芯片時(shí)就做好了。,4,（2）、掩模ROM的邏輯符號(hào)和內(nèi)部邏輯框圖,圖(a)是掩膜ROM的邏輯符號(hào)，(b)為內(nèi)部邏輯框圖。ROM有三組信號(hào)線：地址線8條，所以ROM的存儲(chǔ)容量為28=256個(gè)字，數(shù)據(jù)線4條，對(duì)應(yīng)字長(zhǎng)4位。控制線兩條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(shí)，E0=E1為低電平，ROM的輸出緩沖器被打開(kāi)，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(chǔ)器。它的存儲(chǔ)內(nèi)容可以根據(jù)需要寫入，當(dāng)需要更新時(shí)將原存儲(chǔ)內(nèi)容抹去，再寫入新的內(nèi)容。,(1)、EPROM存儲(chǔ)元,當(dāng)G1柵有電子積累時(shí)，該MOS管的開(kāi)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(chǔ)了“0”。反之，G1柵無(wú)電子積累時(shí)，MOS

6、管的開(kāi)啟電壓較低，當(dāng)G2柵為高電平時(shí)，該管可以導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲(chǔ)了“1”。,6,現(xiàn)以浮柵雪崩注入型MOS管為存儲(chǔ)元的EPROM為例進(jìn)行說(shuō)明，結(jié)構(gòu)如圖(a)所示，圖(b)是電路符號(hào)。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(chǎng)足夠強(qiáng)，則會(huì)造成雪崩，產(chǎn)生很多高能量電子。此時(shí)，若在G2柵上加上正電壓，形成方向與溝道垂直的電場(chǎng)，便可使溝道中的電子穿過(guò)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(zhǎng)期保存。,當(dāng)G1柵有電子積累時(shí)，該MOS管的開(kāi)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(chǔ)了“0”。反之，G1柵無(wú)電子積累時(shí)，MOS管的開(kāi)啟電壓較低，當(dāng)G2柵為高電平時(shí)，該管可以導(dǎo)通，相當(dāng)于存儲(chǔ)了“1”。,7,圖(d)示出了讀出時(shí)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(hào)CS為高電平即該片選中時(shí)，方能讀出數(shù)據(jù)。,這種器件的上方有一個(gè)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(shí)，G1中電子獲得足夠能量，從而穿過(guò)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(dá)到抹去存儲(chǔ)信息的目的，相當(dāng)于存儲(chǔ)器又存了全“1”。,這種EPROM出廠時(shí)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(shí)，用40W紫外燈，相距2cm，照射幾分鐘即可。,8,(2)、E2PROM存儲(chǔ)元,9,這種存儲(chǔ)器在出廠時(shí)，存儲(chǔ)內(nèi)容為全“1”狀態(tài)。使用時(shí)，可根據(jù)要求把某些存儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)20年以上。E2PROM讀出時(shí)的電路如圖(

10、e)所示，這時(shí)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(wú)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(chǔ)器。其存儲(chǔ)元是一個(gè)具有兩個(gè)柵極的NMOS管，如圖(a)和(b)所示，G1是控制柵，它是一個(gè)浮柵，無(wú)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(shí)，通過(guò)隧道效應(yīng)，電子由襯

11、底注入到G1浮柵，相當(dāng)于存儲(chǔ)了“1”。利用此方法可將存儲(chǔ)器抹成全“1”狀態(tài)。,10,二、閃速存儲(chǔ)器,FLASH存儲(chǔ)器也翻譯成閃速存儲(chǔ)器，它是高密度非失易失性的讀/寫存儲(chǔ)器。高密度意味著它具有巨大比特?cái)?shù)目的存儲(chǔ)容量。非易失性意味著存放的數(shù)據(jù)在沒(méi)有電源的情況下可以長(zhǎng)期保存?？傊?，它既有RAM的優(yōu)點(diǎn)，又有ROM的優(yōu)點(diǎn)，稱得上是存儲(chǔ)技術(shù)劃時(shí)代的進(jìn)展。,11,1、FLASH存儲(chǔ)元,“0”狀態(tài)：當(dāng)控制柵加上足夠的正電壓時(shí)，浮空柵將儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)元處于1狀態(tài)。,浮空柵上的電荷量決定了讀取操作時(shí)，加在柵極上的控制電壓能否開(kāi)啟MOS管，并產(chǎn)生從漏極D到源極S的電流。,12,FLASH存儲(chǔ)元在EPROM存儲(chǔ)元基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(chǔ)器中的存儲(chǔ)元，由單個(gè)MOS晶體管組成，除漏極D和源極

13、S外，還有一個(gè)控制柵和浮空柵。當(dāng)控制柵加上足夠的正電壓時(shí)，浮空柵將儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)元處于1狀態(tài)。浮空柵上的電荷量決定了讀取操作時(shí)，加在柵極上的控制電壓能否開(kāi)啟MOS管，并產(chǎn)生從漏極D到源極S的電流。,13,2、FLASH存儲(chǔ)元的基本操作,編程操作：實(shí)際上是寫操作。所有存儲(chǔ)元的原始狀態(tài)均處“1”狀態(tài)，這是因

14、為擦除操作時(shí)控制柵不加正電壓。編程操作的目的是為存儲(chǔ)元的浮空柵補(bǔ)充電子，從而使存儲(chǔ)元改寫成“0”狀態(tài)。如果某存儲(chǔ)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(shí)存儲(chǔ)元寫0、寫1的情況。實(shí)際上編程時(shí)只寫0，不寫1，因?yàn)榇鎯?chǔ)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(chǔ)元被編程，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可保持100年之久而無(wú)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(kāi)啟MOS晶

15、體管。如果存儲(chǔ)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(kāi)啟晶體管。如果存儲(chǔ)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(dòng)?xùn)派系呢?fù)電量，晶體管不能開(kāi)啟導(dǎo)通。,當(dāng)MOS晶體管開(kāi)啟導(dǎo)通時(shí)，電源VD提供從漏極D到源極S的電流。讀出電路檢測(cè)到有電流，表示存儲(chǔ)元中存1，若讀出電路檢測(cè)到無(wú)電流，表示存儲(chǔ)元中存0，如圖(b)所示。,15,擦除操作：所有的存儲(chǔ)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(jiàn)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(chǔ)元變成1狀態(tài)。,16,3、FLASH存儲(chǔ)器的陣列結(jié)構(gòu),（參見(jiàn)教材P85下面；P86上面表）,17,FLASH存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)如圖所示。在某一時(shí)間只有一條行選擇線被激活。讀操作時(shí)，假定某個(gè)存儲(chǔ)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(guò)位線，所經(jīng)過(guò)的負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)電壓降。這個(gè)電壓降送到比較器的一個(gè)輸入端，與另一端輸入的參照電壓做比較，比較器輸