4只读存储器和闪速存储器课件.ppt

1、1 13.4 只读存储器和闪速存储器只读存储器和闪速存储器一、只读存储器一、只读存储器可编程可编程ROM：用户后写入内容，有些可以多次写入。：用户后写入内容，有些可以多次写入。一次性编程的一次性编程的PROM 多次编程的多次编程的EPROM和和E2PROM。顾名思义，只读的意思是在它工。顾名思义，只读的意思是在它工作时作时只能读出只能读出，不能写入不能写入。然而其中存储的原始数据，必须。然而其中存储的原始数据，必须在它工作以前写入。只读存储器由于工作可靠，保密性强，在它工作以前写入。只读存储器由于工作可靠，保密性强，在计算机系统中得到广泛的应用。主要有两类：在计算机系统中得到广泛的应用。主要有

2、两类：掩模掩模ROM：掩模：掩模ROM实际上是一个存储内容固定的实际上是一个存储内容固定的ROM，由生产厂家提供产品。由生产厂家提供产品。2 21、掩模、掩模ROM(1)、掩模、掩模ROM的阵列结构和存储元的阵列结构和存储元 截止表示存截止表示存0导通表示存导通表示存1当行选线与当行选线与MOS管栅极管栅极连接时，连接时，MOS管导通，管导通，列线上为高电平，表示列线上为高电平，表示该存储元存该存储元存1。当行选线与当行选线与MOS管栅极管栅极不连接时，不连接时，MOS管截止，管截止，表示该存储元存表示该存储元存0。3 3 掩膜掩膜ROM实际上是一个存储内容固定的实际上是一个存储内容固定的RO

3、M，由生产厂家，由生产厂家提供产品。它包括广泛使用的具有标准功能的程序或数据，或提供产品。它包括广泛使用的具有标准功能的程序或数据，或提供用户定做的具有特殊功能的程序或数据，当然这些程序或提供用户定做的具有特殊功能的程序或数据，当然这些程序或数据均转换成二进制码。一旦数据均转换成二进制码。一旦ROM芯片片做成，就不能改变其芯片片做成，就不能改变其中的存储内容。大部分中的存储内容。大部分ROM芯片利用在行选线交叉点上的晶体芯片利用在行选线交叉点上的晶体管是导通或截止来表示存管是导通或截止来表示存1或存或存0。图表示一个图表示一个168位的位的ROM阵列结构示意图。地址输入线有阵列结构示意图。地址

4、输入线有4条，单译码结构，因此条，单译码结构，因此ROM的行选线为的行选线为16条，对应条，对应16个字个字16个存储单元，每个字的长度为个存储单元，每个字的长度为8位，所以列选线为位，所以列选线为8条。行、列条。行、列线交叉点是一个线交叉点是一个MOS管存储元。当行选线与管存储元。当行选线与MOS管栅极连接时，管栅极连接时，MOS管导通，列线上为高电平，表示该存储元存管导通，列线上为高电平，表示该存储元存1。当行选线。当行选线与与MOS管栅极不连接时，管栅极不连接时，MOS管截止，表示该存储元存管截止，表示该存储元存0。此。此处存处存1、存、存0的工作，在生产商厂制造的工作，在生产商厂制造R

5、OM芯片时就做好了。芯片时就做好了。4 4（2）、掩模）、掩模ROM的逻辑符号和内部逻辑框图的逻辑符号和内部逻辑框图 图图(a)是掩膜是掩膜ROM的逻辑符号，的逻辑符号，(b)为内部逻辑框图。为内部逻辑框图。ROM有三组信号线：有三组信号线：地址线地址线8条条，所以，所以ROM的存储容量为的存储容量为28=256个个字，字，数据线数据线4条条，对应字长，对应字长4位。位。控制线两条控制线两条E0、E1，二者是，二者是“与与”的关系，可以连在一起。当允许的关系，可以连在一起。当允许ROM读出时，读出时，E0=E1为为低电平，低电平，ROM的输出缓冲器被打开，的输出缓冲器被打开，4位数据位数据O3

6、O0便读出。便读出。5 52、可编程、可编程ROM 。它的存储内容。它的存储内容可以根据需要写入，当需要更新时将原存储内容抹去，再写可以根据需要写入，当需要更新时将原存储内容抹去，再写入新的内容。入新的内容。(1)、EPROM存储元存储元 当当G1栅有电子积累时，栅有电子积累时，该该MOS管的开启电压变管的开启电压变得很高，即使得很高，即使G2栅为高栅为高电平，该管仍不能导通，电平，该管仍不能导通，相当于存储了相当于存储了“0”。反反之，之，G1栅无电子积累时，栅无电子积累时，MOS管的开启电压较低，管的开启电压较低，当当G2栅为高电平时，该栅为高电平时，该管可以导通，相当于存管可以导通，相当

7、于存储了储了“1”。6 6n现以浮栅雪崩注入型现以浮栅雪崩注入型MOS管为存储元的管为存储元的EPROM为例进行说为例进行说明，结构如图明，结构如图(a)所示，图所示，图(b)是电路符号。是电路符号。n若在漏极若在漏极D端加上约几十伏的脉冲电压，使得沟道中的电场端加上约几十伏的脉冲电压，使得沟道中的电场足够强，则会造成雪崩，产生很多高能量电子。此时，若在足够强，则会造成雪崩，产生很多高能量电子。此时，若在G2栅上加上正电压，形成方向与沟道垂直的电场，便可使沟道中栅上加上正电压，形成方向与沟道垂直的电场，便可使沟道中的电子穿过氧化层而注入到的电子穿过氧化层而注入到G1栅，从而使栅，从而使G1栅积

8、累负电荷。栅积累负电荷。n由于由于G1栅周围都是绝缘的二氧化硅层，泄漏电流极小，所以栅周围都是绝缘的二氧化硅层，泄漏电流极小，所以一旦电子注入到一旦电子注入到G1栅后，就能长期保存。栅后，就能长期保存。n当当G1栅有电子积累时，该栅有电子积累时，该MOS管的开启电压变得很高，即使管的开启电压变得很高，即使G2栅为高电平，该管仍不能导通，相当于存储了栅为高电平，该管仍不能导通，相当于存储了“0”。反之，。反之，G1栅无电子积累时，栅无电子积累时，MOS管的开启电压较低，当管的开启电压较低，当G2栅为高电栅为高电平时，该管可以导通，相当于存储了平时，该管可以导通，相当于存储了“1”。7 7n图图(

9、d)示出了读出时的电路，它采用二维译码方式：示出了读出时的电路，它采用二维译码方式：x地址译地址译码器的输出码器的输出xi与与G2栅极相连，以决定栅极相连，以决定T2管是否选中；管是否选中；y地址译码地址译码器的输出器的输出yi与与T1管栅极相连，控制其数据是否读出。当片选信管栅极相连，控制其数据是否读出。当片选信号号CS为高电平即该片选中时，方能读出数据。为高电平即该片选中时，方能读出数据。n这种器件的上方有一个石英窗口，如图这种器件的上方有一个石英窗口，如图(c)所示。当用光子能所示。当用光子能量较高的紫外光照射量较高的紫外光照射G1浮栅时，浮栅时，G1中电子获得足够能量，从中电子获得足够

10、能量，从而穿过氧化层回到衬底中，如图而穿过氧化层回到衬底中，如图(e)所示。这样可使浮栅上的所示。这样可使浮栅上的电子消失，达到抹去存储信息的目的，相当于存储器又存了电子消失，达到抹去存储信息的目的，相当于存储器又存了全全“1”。n这种这种EPROM出厂时为全出厂时为全“1”状态，使用者可根据需要写状态，使用者可根据需要写“0”。写。写“0”电路如图电路如图(f)所示，所示，xi和和yi选择线为高电位，选择线为高电位，P端端加加20多伏的正脉冲，脉冲宽度为多伏的正脉冲，脉冲宽度为0.11ms。EPROM允许多次允许多次重写。抹去时，用重写。抹去时，用40W紫外灯，相距紫外灯，相距2cm，照射几

11、分钟即可。，照射几分钟即可。8 8(2)、E2PROM存储元存储元 9 9n这种存储器在出厂时，存储内容为全这种存储器在出厂时，存储内容为全“1”状态。使用时，可根状态。使用时，可根据要求把某些存储元写据要求把某些存储元写“0”。写。写“0”电路如图电路如图(d)所示。漏极所示。漏极D加加20V正脉冲正脉冲P2,G2栅接地，浮栅上电子通过隧道返回衬底，相栅接地，浮栅上电子通过隧道返回衬底，相当于写当于写“0”。E2PROM允许改写上千次，改写（先抹后写）大允许改写上千次，改写（先抹后写）大约需约需20ms，数据可存储，数据可存储20年以上。年以上。nE2PROM读出时的电路如图读出时的电路如图

12、(e)所示，这时所示，这时G2栅加栅加3V电压，若电压，若G1栅有电子积累，栅有电子积累，T2管不能导通，相当于存管不能导通，相当于存“1”；若；若G1栅无电栅无电子积累，子积累，T2管导通，相当于存管导通，相当于存“0”。nEEPROM，叫做电擦除可编程只读存储器。其存储元是一个，叫做电擦除可编程只读存储器。其存储元是一个具有两个栅极的具有两个栅极的NMOS管，如图管，如图(a)和和(b)所示，所示，G1是控制栅，它是控制栅，它是一个浮栅，无引出线；是一个浮栅，无引出线；G2是抹去栅，它有引出线。在是抹去栅，它有引出线。在G1栅和栅和漏极漏极D之间有一小面积的氧化层，其厚度极薄，可产生隧道效

13、之间有一小面积的氧化层，其厚度极薄，可产生隧道效应。如图应。如图(c)所示，当所示，当G2栅加栅加20V正脉冲正脉冲P1时，通过隧道效应，时，通过隧道效应，电子由衬底注入到电子由衬底注入到G1浮栅，相当于存储了浮栅，相当于存储了“1”。利用此方法可。利用此方法可将存储器抹成全将存储器抹成全“1”状态。状态。1010二、闪速存储器二、闪速存储器 FLASH存储器存储器也翻译成也翻译成闪速存储器闪速存储器，它是高密度非，它是高密度非失易失性的读失易失性的读/写存储器。写存储器。高密度高密度意味着它具有巨大比特意味着它具有巨大比特数目的存储容量。数目的存储容量。非易失性非易失性意味着存放的数据在没有

14、电意味着存放的数据在没有电源的情况下可以长期保存。总之，它既有源的情况下可以长期保存。总之，它既有RAM的优点，的优点，又有又有ROM的优点，称得上是存储技术划时代的进展。的优点，称得上是存储技术划时代的进展。11111、FLASH存储元存储元“0”状态状态：当控制栅加上足：当控制栅加上足够的正电压时，浮空栅将储够的正电压时，浮空栅将储存许多电子带负电，这意味存许多电子带负电，这意味着浮空栅上有很多负电荷，着浮空栅上有很多负电荷，这种情况我们定义存储元处这种情况我们定义存储元处于于0状态。状态。“1”状态状态：如果控制栅不：如果控制栅不加正电压，浮空栅则只有加正电压，浮空栅则只有少许电子或不带

15、电荷，这少许电子或不带电荷，这种情况我们定义为存储元种情况我们定义为存储元处于处于1状态。状态。浮空栅上的电荷量决定了读取浮空栅上的电荷量决定了读取操作时，加在栅极上的控制电操作时，加在栅极上的控制电压能否开启压能否开启MOS管，并产生管，并产生从漏极从漏极D到源极到源极S的电流。的电流。1212nFLASH存储元在存储元在EPROM存储元基础上发展起来的，由此可存储元基础上发展起来的，由此可以看出创新与继承的关系。以看出创新与继承的关系。n如图所示为闪速存储器中的存储元，由单个如图所示为闪速存储器中的存储元，由单个MOS晶体管组成，晶体管组成，除漏极除漏极D和源极和源极S外，还有一个控制栅和

16、浮空栅。当控制栅加上外，还有一个控制栅和浮空栅。当控制栅加上足够的正电压时，浮空栅将储存许多电子带负电，这意味着浮足够的正电压时，浮空栅将储存许多电子带负电，这意味着浮空栅上有很多负电荷，这种情况定义存储元处于空栅上有很多负电荷，这种情况定义存储元处于0状态。如果状态。如果控制栅不加正电压，浮空栅只有少许电子或不带电荷，这种情控制栅不加正电压，浮空栅只有少许电子或不带电荷，这种情况定义为存储元处于况定义为存储元处于1状态。浮空栅上的电荷量决定了读取操状态。浮空栅上的电荷量决定了读取操作时，加在栅极上的控制电压能否开启作时，加在栅极上的控制电压能否开启MOS管，并产生从漏极管，并产生从漏极D到源

17、极到源极S的电流。的电流。13132、FLASH存储元的基本操作存储元的基本操作：实际上是写操作。所有存储元的原始状态均处：实际上是写操作。所有存储元的原始状态均处“1”状态，这是因为擦除操作时控制栅不加正电压。编程操作的目状态，这是因为擦除操作时控制栅不加正电压。编程操作的目的是为存储元的浮空栅补充电子，从而使存储元改写成的是为存储元的浮空栅补充电子，从而使存储元改写成“0”状状态。如果某存储元仍保持态。如果某存储元仍保持“1”状态，则控制栅就不加正电压。状态，则控制栅就不加正电压。如图如图(a)表示编程操作时存储元写表示编程操作时存储元写0、写、写1的情况。实际上编程时的情况。实际上编程时

18、只写只写0，不写，不写1，因为存储元擦除后原始状态全为，因为存储元擦除后原始状态全为1。要写。要写0，就，就是要在控制栅是要在控制栅C上加正电压。一旦存储元被编程，存储的数据上加正电压。一旦存储元被编程，存储的数据可保持可保持100年之久而无需外电源。年之久而无需外电源。1414：控制栅加上正电压。浮空栅上的负电荷量将决定：控制栅加上正电压。浮空栅上的负电荷量将决定是否可以开启是否可以开启MOS晶体管。如果存储元原存晶体管。如果存储元原存1，可认为浮空栅，可认为浮空栅不带负电，控制栅上的正电压足以开启晶体管。如果存储元不带负电，控制栅上的正电压足以开启晶体管。如果存储元原存原存0，可认为浮空栅

19、带负电，控制栅上的正电压不足以克服，可认为浮空栅带负电，控制栅上的正电压不足以克服浮动栅上的负电量，晶体管不能开启导通。浮动栅上的负电量，晶体管不能开启导通。当当MOS晶体管开启导通时，电源晶体管开启导通时，电源VD提供从漏极提供从漏极D到源极到源极S的电的电流。读出电路检测到有电流，表示存储元中存流。读出电路检测到有电流，表示存储元中存1，若读出电路检，若读出电路检测到无电流，表示存储元中存测到无电流，表示存储元中存0，如图，如图(b)所示。所示。1515：所有的存储元中浮空栅上的负电荷要全部：所有的存储元中浮空栅上的负电荷要全部洩洩放放出去。为此晶体管源极出去。为此晶体管源极S加上正电压，

20、这与编程操作正好相加上正电压，这与编程操作正好相反，见图反，见图(c)所示。源极所示。源极S上的正电压吸收浮空栅中的电子，上的正电压吸收浮空栅中的电子，从而使全部存储元变成从而使全部存储元变成1状态。状态。16163、FLASH存储器的阵列结构存储器的阵列结构（参见教材（参见教材P85下面；下面；P86上面表）上面表）1717FLASH存储器的简化阵列结构如图所示。在某一时间只存储器的简化阵列结构如图所示。在某一时间只有一条行选择线被激活。读操作时，假定某个存储元原有一条行选择线被激活。读操作时，假定某个存储元原存存1，那么晶体管导通，与它所在位线接通，有电流通过，那么晶体管导通，与它所在位线接通，有电流通过位线，所经过的负载上产生一个电压降。这个电压降送位线，所经过的负载上产生一个电压降。这个电压降送到比较器的一个输入端，与另一端输入的参照电压做比到比较器的一个输入端，与另一端输入的参照电压做比较，比较器输出一个标志为逻辑较，比较器输出一个标志为逻辑1的电平。如果某个存储的电平。如果某个存储元原先存元原先存0，那么晶体管不导通，位线上没有电流，比较，那么晶体管不导通，位线上没有电流，比较器输出端则产生一个标志为逻辑器输出端则产生一个标志为逻辑0的电平。的电平。