半导体存储器分类简介:单片机原理与应用

按照存储器的存取功能，存储器可分为只读存储器ROM和随机存取存储器（RAM）两大类。

1.数据存储器RAM芯片

（1）静态RAM（Static RAM，SRAM）芯片 它的电路是一个稳态触发器，用触发器的两个稳定状态来表示二进制0、1。每一个位都是一个双稳态触发电路，8个位就是8个触发器组成1字节。SRAM的一个特点是它的状态一旦实现，可以保持住，即带电信息可长期保存，功效好，体积也小。下面对SRAM芯片的基本存储电路的结构进行介绍。

1）基本存储电路。SRAM的基本存储电路通常由如图8-1所示的6个MOS管组成。在此电路中，V1～V4组成双稳态触发器：V1、V2为放大管，V3、V4为负载管，V5、V6为控制管。若V1截止，则A点为高电平，它使V2导通，于是B点为低电平，这又保证了V1的截止。同样，V1导通而V2截止，这是另一个稳定状态，因此可用V1的两种状态分别表示“1”或“0”。由此可知SRAM保存信息的特点是和这个双稳态触发器的稳定状态密切相关的。其读/写操作过程如下：

①写操作。当地址译码器的某一个输出线送出高电平到控制管V5、V6的栅极时，V5、V6导通，于是，A点与I/O线相连，B点与线相连。这时如果要写“1”，则I/O为“1”，为“0”，它们通过V5、V6与A、B点相连，即A=“1”，B=“0”，使V1截止，V2导通。而当写入信号和地址译码信号消失后，V5、V6截止，该状态仍能保持。如要写“0”，I/O线为“0”，线为“1”，这使V1导通，V2截止，只要不掉电，这个状态会一直保持，除非重新写入一个新的数据。

图8-1 静态RAM的基本存储电路

②读操作。需地址译码器的某一输出线送出高电平到V5、V6栅极，即此存储单元被选中，此时V5、V6导通，于是V1、V2的状态被分别送至I/O和线，这样就读出了所保存的信息。显然，存储的信息被读出后，所存储的内容并不改变，除非重写一个数据。

由于SRAM存储电路中，MOS管数目多，故集成度较低，而V1、V2组成的双稳态触发器必有一个是导通的，功耗也比动态RAM大，这是SRAM的两大缺点。其优点是不需刷新电路，从而简化了外部电路。

图8-2 SRAM芯片的功能框图

2）SRAM的结构。SRAM芯片内部是由很多基本存储电路组成的，所有基本单元排列成m×n的存储矩阵。芯片容量为单元数与数据线位数之乘积，如1KB=1K×8bit=1024×8bit。为了选中某一个单元，往往利用矩阵式排列的地址译码电路，即存储器内部为双向地址译码，以节省内部引线和驱动器。例如：1K单元的内存芯片，需10根地址线，其中5根用于行译码，另5根用于列译码，译码后在芯片内部排列成2⁵=32条行选择线和2⁵=32条列选择线，总共需要64根译码线和64个驱动器，就可选中1024个单元中的任何一个。如果采用单向译码需要1024根译码输出线和驱动器。而每一个单元中的基本存储电路个数与数据线位数相同，即每个存储单元由若干个基本存储电路组成。常用的典型SRAM芯片的功能框图如图8-2所示。

（2）动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）芯片 这类芯片用得更加广泛，一般用在大型设备上。他不是由触发器组成的，而是由一个电容构成的存储电路，用电容电荷的有、无来表示1或0，这种电路的集成度更高。因为电容容易漏电，所以必须不断进行刷新，即充电，把原来的状态维持住。下面对动态RAM芯片基本存储电路的结构进行介绍。

1）DRAM的存储电路。SRAM每个单元电路需6个MOS管，功耗大且集成度低。为提高集成度和降低功耗，进一步研制出了DRAM器件，其基本存储电路为单管动态存储电路，如图8-3所示。由图可见，DRAM存放信息靠的是电容器C，电容器C有电荷时，为逻辑“1”，没有电荷时，为逻辑“0”。由于任何电容器都存在漏电，因此当电容器C存有电荷时，过一段时间由于电容器的放电过程导致电荷流失，信息也就丢失。解决的办法是刷新，即每隔一定时间（一般2ms）就要刷新一次，使原来处于逻辑电平“1”的电容器的电荷又得到补充，而原来处于电平“0”的电容器仍保持“0”。其读/写操作过程如下：

图8-3 单管动态存储电路

①读操作。根据行地址译码，使某一条行选择线为高电平，使本行上所有的基本存储电路中的V1导通，使连在每一列上的刷新放大器读取对应存储电容器上的电压值。刷新放大器将此电压值转换为对应的逻辑电平“0”或“1”，又重写到存储电容器，列地址译码产生列选择信号，选中该列的基本存储电路，从而读取信息。

②写操作。行选择信号为高电平“1”，V1处于导通状态，此时列选择信号也为高电平“1”，则此基本存储电路被选中，于是由外接数据线送来的信息通过刷新放大器和V1送到电容器C上。

刷新是逐行进行的，当某一行选择信号为“1”时，选中了该行，电容器上的信息送到刷新放大器上，刷新放大器又对这些电容器立即进行重写。由于刷新时，列选择信号总为低电平“0”，因此电容器C上的信息不可能被送到数据总线上。

图8-4 DRAM芯片的内部结构框图

2）DRAM的结构。图8-4所示是一个2116 DRAM芯片的内部结构框图，DRAM芯片由存储矩阵、读/写控制及刷新控制电路构成。图中，芯片上的行地址选通和列选通分别选通和锁存行地址和列地址。在行地址中，包括了存储地址和刷新地址，因此要有刷新多路器，该多路器让刷新地址在刷新期间通过。行地址A0～A6和刷新地址RA0～RA6通过刷新多路器送往行/列多路器，再送往2116的对应引脚。通过、及信号的配合，实现对存储器的刷新与读/写。

2.程序存储器ROM芯片

（1）掩膜ROM所谓掩膜ROM，是指其状态已经不是一个双稳的状态，变成理论上单稳定状态或是“死”的状态，换句话说，用掩膜工艺把信息一次固化在里面。掩膜ROM适合于批量生产，产品已经定型，信息可以不变，由生产芯片的厂家固化信息，在最后一道工序用掩膜工艺写入信息，用户只可读。它的好处就是成本大幅降低。缺点是存储的数字信息不能再修改。

根据制造工艺可以将它们分为MOS型和双极型两种。MOS型ROM功耗小、速度慢，适用于一般微机系统；而双极型则速度快、功耗大，适用于速度较高的计算机系统。掩膜ROM结构原理图如图8-5所示。(www.xing528.com)

图8-5 掩膜ROM结构原理图

a）MOS型ROM b）双极型ROM

图8-5中是个简单的4×4位MOS（或双极型）管ROM，采用单译码结构，A0、A1上的地址信号经译码后，输出4条选择线，可分别选中4个单元，每个单元有4位输出。图中所示的矩阵中，在行和列的交点，有的连有MOS管，有的没有，这是由工厂根据用户提供的程序代码和数据对芯片图形（掩膜）进行二次光刻所决定的，所以称为掩膜ROM。若地址线A0、A1为00，即字线0为高电平，则选中0号单元，若有MOS管与其相连（如位线3、2和0），其相应的MOS管导通，位线输出为0，而位线1没有管子与字线相连，输出为1，即0号单元的内容为0010。

（2）可编程ROM（PROM） 由于掩膜ROM需产量较大才能降低其成本，人们就希望能生产一种通用的器件，通过编程的方法将数据写入器件中，当该通用器件的生产量将相当大时，就降低单片芯片的价格。人们首先根据电路熔丝得到了启发，在存储器每个存放数据的结点上加上一个熔丝（相当于通常电工用的熔丝），这样该器件在出厂时每个单元内容全部为1，如果希望某一位存放数据0，只需将该结点对应的熔丝烧断即可。通常用二极管或双极型晶体管作存储单元。图8-6所示是用双极型晶体管作存储单元电路，在这种存储单元中，每一位晶体管的发射极上串接一个可熔金属丝，出厂时所有晶体管的发射极上的熔丝是完整的，晶体管可将位线和字线连通，表示存有信息“0”（即整个芯片末使用前全为“0”）。用户编程时，根据程序要求，对需要写入“1”的位，通以足够大的脉冲电流，使相应位的熔丝烧断，该位便存入信息“1”。未被熔断的位仍为“0”，从而实现了信息的一次性写入。

该种存储器存在一些不足：由于在半导体电路中加入了金属丝，使生产工艺变得复杂；其次，由于可编程的部分是由熔丝构成的，这就决定了该存储器一旦将内容写错，其芯片就只能报废。

图8-6 双极型晶体管作存储单元电路

（3）可擦除重写ROM（EPROM） EPROM通常有紫外线可擦除只读存储器ROM（UVEP-ROM）和电可擦除ROM（EEPROM）。

1）紫外线可擦除ROM（UVEPROM）。紫外线可擦除UVEPROM存储电路是利用浮栅MOS管构成的，又称FAMOS管，用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储单元的PN结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写。浮栅MOS EPROM存储电路如图8-7所示，MOS晶体管与EPROM单元的两种工作状态如图8-8所示。

图8-7 浮栅MOS EPROM存储电路

a）FAMOS管的结构 b）EPROM存储单元 c）EPROM外型

该电路和普通P型沟道增强型MOS管相似，只是栅极没有引出端，而被二氧化硅绝缘层所包围，称为“浮栅”。原始的浮栅不带电荷，FAMOS管不导通，位线上是高电平，存储的信息为1。当FAMOS管的源极S与衬底接地电位、漏极D接较高电压（大于正常工作电压）时，漏极PN结反向击穿产生“雪崩”现象，使浮栅积累电荷，FAMOS管处于导通状态，位线被钳在低电平，存储的数据为0。由于浮栅被绝缘的二氧化硅包围，电荷不会丢失，即信息不会丢失，这种存储的信息可以安全保存20年以上，但为了防止平时日光中的紫外线的照射，在其玻璃窗口上贴上黑纸。

UVEPROM的优点是其内容可以擦除后重新写入数据，即使写错了也无所谓，缺点是其重新改写时需将存储器拆下来用专门的编程器来进行改写。由于其价格较低、使用方法较简单，所以现在使用得还相当广泛。

2）电可擦除ROM（EEPROM） 电可擦除ROM是在EPROM的基础上开发的，可以在加电的情况下进行全片或字节擦除，然后在电路上直接改写其擦除过的单元内容。具备ROM、RAM的优点，不但可以修改程序，还可以修改数据，但写入时间较长。

图8-8 MOS晶体管与EPROM单元的两种工作状态

a）MOS晶体管结构 b）MOS晶体管导通状态 c）EPROM晶体管结构 d）EPROM晶体管导通

EEPROM的内部电路，与EPROM电路类似，但其结构进行了一些调整，在浮栅上增加了一个隧道二极管（实际上是在浮栅与N型的衬底形成一层薄薄的氧化层后形成的），在编程时可以使电荷通过它流向浮栅，而擦除时可使电荷通过它流向漏极，不需要紫外线激发放电，即擦除和编程只需加电就可以完成了，且写入的电流很小。EEPROM内部电路结构如图8-9所示。

（4）快擦写ROM（Flash ROM） FlashROM是在EPROM和EEPROM的基础上发展起来的一种只读存储器，读/写速度很快，存取时间可达70ns，存储容量可达2～16KB，最近有16～64MB的产品问世，可擦写次数在1～100万次。

图8-9 EEPROM内部电路结构