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1、1 13.4 只讀存儲器和閃速存儲器只讀存儲器和閃速存儲器一、只讀存儲器一、只讀存儲器可編程可編程ROM：用戶后寫入內(nèi)容，有些可以多次寫入。：用戶后寫入內(nèi)容，有些可以多次寫入。一次性編程的一次性編程的PROM 多次編程的多次編程的EPROM和和E2PROM。顧名思義，只讀的意思是在它工。顧名思義，只讀的意思是在它工作時作時只能讀出只能讀出，不能寫入不能寫入。然而其中存儲的原始數(shù)據(jù)，必須。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)中得到廣泛的應用。主要有兩類：在計算機系統(tǒng)中得到廣泛的應用。主要有

2、兩類：掩模掩模ROM：掩模：掩模ROM實際上是一個存儲內(nèi)容固定的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。由生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)品。2 21、掩模、掩模ROM(1)、掩模、掩模ROM的陣列結(jié)構(gòu)和存儲元的陣列結(jié)構(gòu)和存儲元 截止表示存截止表示存0導通表示存導通表示存1當行選線與當行選線與MOS管柵極管柵極連接時，連接時，MOS管導通，管導通，列線上為高電平，表示列線上為高電平，表示該存儲元存該存儲元存1。當行選線與當行選線與MOS管柵極管柵極不連接時，不連接時，MOS管截止，管截止，表示該存儲元存表示該存儲元存0。3 3 掩膜掩膜ROM實際上是一個存儲內(nèi)容固定的實際上是一個存儲內(nèi)容固定的RO

3、M，由生產(chǎn)廠家，由生產(chǎn)廠家提供產(chǎn)品。它包括廣泛使用的具有標準功能的程序或數(shù)據(jù)，或提供產(chǎn)品。它包括廣泛使用的具有標準功能的程序或數(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)，當然這些程序或提供用戶定做的具有特殊功能的程序或數(shù)據(jù)，當然這些程序或數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換成二進制碼。一旦數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換成二進制碼。一旦ROM芯片片做成，就不能改變其芯片片做成，就不能改變其中的存儲內(nèi)容。大部分中的存儲內(nèi)容。大部分ROM芯片利用在行選線交叉點上的晶體芯片利用在行選線交叉點上的晶體管是導通或截止來表示存管是導通或截止來表示存1或存或存0。圖表示一個圖表示一個168位的位的ROM陣列結(jié)構(gòu)示意圖。地址輸入線有陣列結(jié)構(gòu)示意圖。地址

4、輸入線有4條，單譯碼結(jié)構(gòu)，因此條，單譯碼結(jié)構(gòu)，因此ROM的行選線為的行選線為16條，對應條，對應16個字個字16個存儲單元，每個字的長度為個存儲單元，每個字的長度為8位，所以列選線為位，所以列選線為8條。行、列條。行、列線交叉點是一個線交叉點是一個MOS管存儲元。當行選線與管存儲元。當行選線與MOS管柵極連接時，管柵極連接時，MOS管導通，列線上為高電平，表示該存儲元存管導通，列線上為高電平，表示該存儲元存1。當行選線。當行選線與與MOS管柵極不連接時，管柵極不連接時，MOS管截止，表示該存儲元存管截止，表示該存儲元存0。此。此處存處存1、存、存0的工作，在生產(chǎn)商廠制造的工作，在生產(chǎn)商廠制造R

5、OM芯片時就做好了。芯片時就做好了。4 4（2）、掩模）、掩模ROM的邏輯符號和內(nèi)部邏輯框圖的邏輯符號和內(nèi)部邏輯框圖 圖圖(a)是掩膜是掩膜ROM的邏輯符號，的邏輯符號，(b)為內(nèi)部邏輯框圖。為內(nèi)部邏輯框圖。ROM有三組信號線：有三組信號線：地址線地址線8條條，所以，所以ROM的存儲容量為的存儲容量為28=256個個字，字，數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線4條條，對應字長，對應字長4位。位?？刂凭€兩條控制線兩條E0、E1，二者是，二者是“與與”的關系，可以連在一起。當允許的關系，可以連在一起。當允許ROM讀出時，讀出時，E0=E1為為低電平，低電平，ROM的輸出緩沖器被打開，的輸出緩沖器被打開，4位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)O3

6、O0便讀出。便讀出。5 52、可編程、可編程ROM 。它的存儲內(nèi)容。它的存儲內(nèi)容可以根據(jù)需要寫入，當需要更新時將原存儲內(nèi)容抹去，再寫可以根據(jù)需要寫入，當需要更新時將原存儲內(nèi)容抹去，再寫入新的內(nèi)容。入新的內(nèi)容。(1)、EPROM存儲元存儲元 當當G1柵有電子積累時，柵有電子積累時，該該MOS管的開啟電壓變管的開啟電壓變得很高，即使得很高，即使G2柵為高柵為高電平，該管仍不能導通，電平，該管仍不能導通，相當于存儲了相當于存儲了“0”。反反之，之，G1柵無電子積累時，柵無電子積累時，MOS管的開啟電壓較低，管的開啟電壓較低，當當G2柵為高電平時，該柵為高電平時，該管可以導通，相當于存管可以導通，相當

7、于存儲了儲了“1”。6 6n現(xiàn)以浮柵雪崩注入型現(xiàn)以浮柵雪崩注入型MOS管為存儲元的管為存儲元的EPROM為例進行說為例進行說明，結(jié)構(gòu)如圖明，結(jié)構(gòu)如圖(a)所示，圖所示，圖(b)是電路符號。是電路符號。n若在漏極若在漏極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的電子穿過氧化層而注入到G1柵，從而使柵，從而使G1柵積

8、累負電荷。柵積累負電荷。n由于由于G1柵周圍都是絕緣的二氧化硅層，泄漏電流極小，所以柵周圍都是絕緣的二氧化硅層，泄漏電流極小，所以一旦電子注入到一旦電子注入到G1柵后，就能長期保存。柵后，就能長期保存。n當當G1柵有電子積累時，該柵有電子積累時，該MOS管的開啟電壓變得很高，即使管的開啟電壓變得很高，即使G2柵為高電平，該管仍不能導通，相當于存儲了柵為高電平，該管仍不能導通，相當于存儲了“0”。反之，。反之，G1柵無電子積累時，柵無電子積累時，MOS管的開啟電壓較低，當管的開啟電壓較低，當G2柵為高電柵為高電平時，該管可以導通，相當于存儲了平時，該管可以導通，相當于存儲了“1”。7 7n圖圖(

9、d)示出了讀出時的電路，它采用二維譯碼方式：示出了讀出時的電路，它采用二維譯碼方式：x地址譯地址譯碼器的輸出碼器的輸出xi與與G2柵極相連，以決定柵極相連，以決定T2管是否選中；管是否選中；y地址譯碼地址譯碼器的輸出器的輸出yi與與T1管柵極相連，控制其數(shù)據(jù)是否讀出。當片選信管柵極相連，控制其數(shù)據(jù)是否讀出。當片選信號號CS為高電平即該片選中時，方能讀出數(shù)據(jù)。為高電平即該片選中時，方能讀出數(shù)據(jù)。n這種器件的上方有一個石英窗口，如圖這種器件的上方有一個石英窗口，如圖(c)所示。當用光子能所示。當用光子能量較高的紫外光照射量較高的紫外光照射G1浮柵時，浮柵時，G1中電子獲得足夠能量，從中電子獲得足夠

10、能量，從而穿過氧化層回到襯底中，如圖而穿過氧化層回到襯底中，如圖(e)所示。這樣可使浮柵上的所示。這樣可使浮柵上的電子消失，達到抹去存儲信息的目的，相當于存儲器又存了電子消失，達到抹去存儲信息的目的，相當于存儲器又存了全全“1”。n這種這種EPROM出廠時為全出廠時為全“1”狀態(tài)，使用者可根據(jù)需要寫狀態(tài)，使用者可根據(jù)需要寫“0”。寫。寫“0”電路如圖電路如圖(f)所示，所示，xi和和yi選擇線為高電位，選擇線為高電位，P端端加加20多伏的正脈沖，脈沖寬度為多伏的正脈沖，脈沖寬度為0.11ms。EPROM允許多次允許多次重寫。抹去時，用重寫。抹去時，用40W紫外燈，相距紫外燈，相距2cm，照射幾

11、分鐘即可。，照射幾分鐘即可。8 8(2)、E2PROM存儲元存儲元 9 9n這種存儲器在出廠時，存儲內(nèi)容為全這種存儲器在出廠時，存儲內(nèi)容為全“1”狀態(tài)。使用時，可根狀態(tài)。使用時，可根據(jù)要求把某些存儲元寫據(jù)要求把某些存儲元寫“0”。寫。寫“0”電路如圖電路如圖(d)所示。漏極所示。漏極D加加20V正脈沖正脈沖P2,G2柵接地，浮柵上電子通過隧道返回襯底，相柵接地，浮柵上電子通過隧道返回襯底，相當于寫當于寫“0”。E2PROM允許改寫上千次，改寫（先抹后寫）大允許改寫上千次，改寫（先抹后寫）大約需約需20ms，數(shù)據(jù)可存儲，數(shù)據(jù)可存儲20年以上。年以上。nE2PROM讀出時的電路如圖讀出時的電路如圖

12、(e)所示，這時所示，這時G2柵加柵加3V電壓，若電壓，若G1柵有電子積累，柵有電子積累，T2管不能導通，相當于存管不能導通，相當于存“1”；若；若G1柵無電柵無電子積累，子積累，T2管導通，相當于存管導通，相當于存“0”。nEEPROM，叫做電擦除可編程只讀存儲器。其存儲元是一個，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具有兩個柵極的NMOS管，如圖管，如圖(a)和和(b)所示，所示，G1是控制柵，它是控制柵，它是一個浮柵，無引出線；是一個浮柵，無引出線；G2是抹去柵，它有引出線。在是抹去柵，它有引出線。在G1柵和柵和漏極漏極D之間有一小面積的氧化層，其厚度極薄，可產(chǎn)生隧道效

13、之間有一小面積的氧化層，其厚度極薄，可產(chǎn)生隧道效應。如圖應。如圖(c)所示，當所示，當G2柵加柵加20V正脈沖正脈沖P1時，通過隧道效應，時，通過隧道效應，電子由襯底注入到電子由襯底注入到G1浮柵，相當于存儲了浮柵，相當于存儲了“1”。利用此方法可。利用此方法可將存儲器抹成全將存儲器抹成全“1”狀態(tài)。狀態(tài)。1010二、閃速存儲器二、閃速存儲器 FLASH存儲器存儲器也翻譯成也翻譯成閃速存儲器閃速存儲器，它是高密度非，它是高密度非失易失性的讀失易失性的讀/寫存儲器。寫存儲器。高密度高密度意味著它具有巨大比特意味著它具有巨大比特數(shù)目的存儲容量。數(shù)目的存儲容量。非易失性非易失性意味著存放的數(shù)據(jù)在沒有

14、電意味著存放的數(shù)據(jù)在沒有電源的情況下可以長期保存?？傊扔性吹那闆r下可以長期保存。總之，它既有RAM的優(yōu)點，的優(yōu)點，又有又有ROM的優(yōu)點，稱得上是存儲技術劃時代的進展。的優(yōu)點，稱得上是存儲技術劃時代的進展。11111、FLASH存儲元存儲元“0”狀態(tài)狀態(tài)：當控制柵加上足：當控制柵加上足夠的正電壓時，浮空柵將儲夠的正電壓時，浮空柵將儲存許多電子帶負電，這意味存許多電子帶負電，這意味著浮空柵上有很多負電荷，著浮空柵上有很多負電荷，這種情況我們定義存儲元處這種情況我們定義存儲元處于于0狀態(tài)。狀態(tài)。“1”狀態(tài)狀態(tài)：如果控制柵不：如果控制柵不加正電壓，浮空柵則只有加正電壓，浮空柵則只有少許電子或不帶

15、電荷，這少許電子或不帶電荷，這種情況我們定義為存儲元種情況我們定義為存儲元處于處于1狀態(tài)。狀態(tài)。浮空柵上的電荷量決定了讀取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操作時，加在柵極上的控制電壓能否開啟壓能否開啟MOS管，并產(chǎn)生管，并產(chǎn)生從漏極從漏極D到源極到源極S的電流。的電流。1212nFLASH存儲元在存儲元在EPROM存儲元基礎上發(fā)展起來的，由此可存儲元基礎上發(fā)展起來的，由此可以看出創(chuàng)新與繼承的關系。以看出創(chuàng)新與繼承的關系。n如圖所示為閃速存儲器中的存儲元，由單個如圖所示為閃速存儲器中的存儲元，由單個MOS晶體管組成，晶體管組成，除漏極除漏極D和源極和源極S外，還有一個控制柵和

16、浮空柵。當控制柵加上外，還有一個控制柵和浮空柵。當控制柵加上足夠的正電壓時，浮空柵將儲存許多電子帶負電，這意味著浮足夠的正電壓時，浮空柵將儲存許多電子帶負電，這意味著浮空柵上有很多負電荷，這種情況定義存儲元處于空柵上有很多負電荷，這種情況定義存儲元處于0狀態(tài)。如果狀態(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)生從漏極管，并產(chǎn)生從漏極D到源

17、極到源極S的電流。的電流。13132、FLASH存儲元的基本操作存儲元的基本操作：實際上是寫操作。所有存儲元的原始狀態(tài)均處：實際上是寫操作。所有存儲元的原始狀態(tài)均處“1”狀態(tài)，這是因為擦除操作時控制柵不加正電壓。編程操作的目狀態(tài)，這是因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”狀狀態(tài)。如果某存儲元仍保持態(tài)。如果某存儲元仍保持“1”狀態(tài)，則控制柵就不加正電壓。狀態(tài)，則控制柵就不加正電壓。如圖如圖(a)表示編程操作時存儲元寫表示編程操作時存儲元寫0、寫、寫1的情況。實際上編程時的情況。實際上編程時

18、只寫只寫0，不寫，不寫1，因為存儲元擦除后原始狀態(tài)全為，因為存儲元擦除后原始狀態(tài)全為1。要寫。要寫0，就，就是要在控制柵是要在控制柵C上加正電壓。一旦存儲元被編程，存儲的數(shù)據(jù)上加正電壓。一旦存儲元被編程，存儲的數(shù)據(jù)可保持可保持100年之久而無需外電源。年之久而無需外電源。1414：控制柵加上正電壓。浮空柵上的負電荷量將決定：控制柵加上正電壓。浮空柵上的負電荷量將決定是否可以開啟是否可以開啟MOS晶體管。如果存儲元原存晶體管。如果存儲元原存1，可認為浮空柵，可認為浮空柵不帶負電，控制柵上的正電壓足以開啟晶體管。如果存儲元不帶負電，控制柵上的正電壓足以開啟晶體管。如果存儲元原存原存0，可認為浮空柵

19、帶負電，控制柵上的正電壓不足以克服，可認為浮空柵帶負電，控制柵上的正電壓不足以克服浮動柵上的負電量，晶體管不能開啟導通。浮動柵上的負電量，晶體管不能開啟導通。當當MOS晶體管開啟導通時，電源晶體管開啟導通時，電源VD提供從漏極提供從漏極D到源極到源極S的電的電流。讀出電路檢測到有電流，表示存儲元中存流。讀出電路檢測到有電流，表示存儲元中存1，若讀出電路檢，若讀出電路檢測到無電流，表示存儲元中存測到無電流，表示存儲元中存0，如圖，如圖(b)所示。所示。1515：所有的存儲元中浮空柵上的負電荷要全部：所有的存儲元中浮空柵上的負電荷要全部洩洩放放出去。為此晶體管源極出去。為此晶體管源極S加上正電壓，

20、這與編程操作正好相加上正電壓，這與編程操作正好相反，見圖反，見圖(c)所示。源極所示。源極S上的正電壓吸收浮空柵中的電子，上的正電壓吸收浮空柵中的電子，從而使全部存儲元變成從而使全部存儲元變成1狀態(tài)。狀態(tài)。16163、FLASH存儲器的陣列結(jié)構(gòu)存儲器的陣列結(jié)構(gòu)（參見教材（參見教材P85下面；下面；P86上面表）上面表）1717FLASH存儲器的簡化陣列結(jié)構(gòu)如圖所示。在某一時間只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，假定某個存儲元原有一條行選擇線被激活。讀操作時，假定某個存儲元原存存1，那么晶體管導通，與它所在位線接通，有電流通過，那么晶體管導通，與它所在位線接通，有電流通過位線，所經(jīng)過的負載上產(chǎn)生一個電壓降。這個電壓降送位線，所經(jīng)過的負載上產(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，比較器輸出一個標志為邏輯較，比較器輸出一個標志為邏輯1的電平。如果某個存儲的電平。如果某個存儲元原先存元原先存0，那么晶體管不導通，位線上沒有電流，比較，那么晶體管不導通，位線上沒有電流，比較器輸出端則產(chǎn)生一個標志為邏輯器輸出端則產(chǎn)生一個標志為邏輯0的電平。的電平。