MOS存储器课件

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1、MOS存储器存储器一存储器的分类一存储器的分类 1.只读存储器只读存储器ROM（read only memory）(1).固定式只读存储器（掩膜编程固定式只读存储器（掩膜编程ROM）（）（mask programmed ROM）;(2).可编程只读存储可编程只读存储PROM(programmed ROM); 如熔丝型，一旦编程完毕，就不能改如熔丝型，一旦编程完毕，就不能改 以上两类都是不挥发性的，断电信息不会丢失以上两类都是不挥发性的，断电信息不会丢失2.不挥发性读写存储器不挥发性读写存储器NVRWM(non-volatile read-write memory) 习惯称为可擦除型习惯称为可擦

2、除型ROM. (1)可擦除型可擦除型EPROM(erasable PROM)紫外光擦除，一紫外光擦除，一次性全部擦除次性全部擦除（）电可擦除（）电可擦除EEPROM(electrically erasable PROM)浮栅隧道结构，可逐字擦写，速度快，不需从浮栅隧道结构，可逐字擦写，速度快，不需从设备上取出价格较贵设备上取出价格较贵（）闪烁型（）闪烁型 复栅结构，比复栅结构，比EEPROM简单，通常用作可变信息的存储简单，通常用作可变信息的存储2E PROM(flash EEPROM)3.随机存取存储器随机存取存储器RAM(random access memory) 挥发性的挥发性的.（）静

3、态（）静态SRAM：采用双稳态触发器作为存储元件没有外：采用双稳态触发器作为存储元件没有外界触发信号时，不改变状态只要有电源，信号保持界触发信号时，不改变状态只要有电源，信号保持（）动态（）动态DRAM，利用电容来存储信息，需刷新，利用电容来存储信息，需刷新 优点：存储单元的元件数少，单元面积小，功耗低，适优点：存储单元的元件数少，单元面积小，功耗低，适合大规模集成；合大规模集成；缺点：需要复杂的刷新电路，对时序有严格要求，速度缺点：需要复杂的刷新电路，对时序有严格要求，速度比静态慢比静态慢4.顺序存取存储器顺序存取存储器SAM(sequential access memory)非随机存取的，

4、存取次序受到限制非随机存取的，存取次序受到限制: (1)先进先出存储器先进先出存储器FIFO(first-in first-out ); (2)后进先出存储器后进先出存储器LIFO(last-in first-out ); (3)移位寄存器移位寄存器(shift register); (4)按内容存取存储器按内容存取存储器(contents-addressable memory,CAM).二存储器的结构二存储器的结构如果选择位的信号来自片外或芯片上的其他部分时，会如果选择位的信号来自片外或芯片上的其他部分时，会造成无法封装或连线的问题因此要采用译码的方法来减少造成无法封装或连线的问题因此要采用

5、译码的方法来减少地址线的数目地址线的数目通常存储单元组成阵列形式地址分为列地址和行地通常存储单元组成阵列形式地址分为列地址和行地址行地址是使存储器的一行可以读和写，列地址是从被选址行地址是使存储器的一行可以读和写，列地址是从被选择的行中排选出所需要的字择的行中排选出所需要的字 以以1M，字长为，字长为16为例，设计成为例，设计成1024*1024，一行有，一行有64个个字字 (64*16=1024)，列地址需要位，产生，列地址需要位，产生16*64条列选择条列选择线行地址为线行地址为10位，产生位，产生1024条行选择线条行选择线 我们把行选择线成为字线我们把行选择线成为字线(word lin

6、e)，把连接，把连接输入输入/输出电路的列选择线称为位线输出电路的列选择线称为位线(bit line)列列为了缩短存取时间和降低功耗，一般存储单元上的电压为了缩短存取时间和降低功耗，一般存储单元上的电压摆幅都很小（如摆幅都很小（如0.5v），无法达到外界所需要的正常幅），无法达到外界所需要的正常幅度，所以要加灵敏放大器度，所以要加灵敏放大器 更大容量的存储器要分成若干个存储块（更大容量的存储器要分成若干个存储块（BLOCK）组合起来，并额外有块地址来选择其中的某一块组合起来，并额外有块地址来选择其中的某一块三三MOS动态随机存取存储器动态随机存取存储器存储单元的工作原理存储单元的工作原理 当当

7、W 时，导通，可以把数据写入，存在时，导通，可以把数据写入，存在Cs中，或中，或从从Cs中读出数据数据中读出数据数据“”和和“”是以是以s上电荷的多上电荷的多少来辨别的少来辨别的 某行的某行的W时，该行的导通时，该行的导通Cs与连通，与连通，Cs与位与位线电容线电容CBL是并联关系是并联关系(1) 读操作读操作在读之前，位线先预充到在读之前，位线先预充到Vpre(约约2.5V)当当W=1，导通电荷在导通电荷在CBL和和Cs之间再分配，从而导致位线电平的之间再分配，从而导致位线电平的变化变化()SBLpreBITpreSBLCVVVVVCCBLVBITVSSBLCCCSC：Cs上的初始电压上的初

8、始电压：电荷再分配后的位线电压：电荷再分配后的位线电压:电荷转移比电荷转移比 一般为一般为0.05PFCBL约为约为PF，电荷转移比一般在，电荷转移比一般在1%-10%之间之间V250mv讨论：讨论： V很小，要有灵敏放大器；很小，要有灵敏放大器；转移比要尽量大，在小面积得到尽可能大的电容是设计关转移比要尽量大，在小面积得到尽可能大的电容是设计关键；键；读取过程是读取过程是“破坏性破坏性”的，的，CS中的电荷量发生了变化，读中的电荷量发生了变化，读和刷新要结合在一起和刷新要结合在一起(2) 写操作写操作 例如写例如写“”，先选择指定的位线，先选择指定的位线，B=1，然后，然后升高字线使导通对升

9、高字线使导通对Cs充电，这时会有阈值损充电，这时会有阈值损失有效方法是将自举到大于失有效方法是将自举到大于VDD的值的值 写写“”的时侯是放电的时侯是放电.存储单元的结构存储单元的结构 一般采用三维结构，例如沟槽型，槽壁和槽底都作一般采用三维结构，例如沟槽型，槽壁和槽底都作为电容的极板为电容的极板,Cs 3.灵敏放大器和伪单元灵敏放大器和伪单元 （1）灵敏放大器）灵敏放大器 由交叉耦合的由交叉耦合的CMOS反相器构成，接在每一列的中间。反相器构成，接在每一列的中间。EQ=1，先将，先将BLL和和BLR左右两条位线预充到左右两条位线预充到 ， 使触发器处在亚稳点，然后使触发器处在亚稳点，然后EQ

10、=0./2DDV 读写时位线上会出现读写时位线上会出现 ，当，当 足够大时，足够大时，SE=1，灵敏放大器工作，触发器将根据灵敏放大器工作，触发器将根据 的情况，进入一个稳的情况，进入一个稳定的状态（定的状态（0或或1）。由于是正反馈，转变非常迅速。）。由于是正反馈，转变非常迅速。 特点：特点： 简单，快速。输入端和输出端是合在一起的，放大简单，快速。输入端和输出端是合在一起的，放大 后的信号仍作用于位线上，可以对单元进行刷新，这是单后的信号仍作用于位线上，可以对单元进行刷新，这是单管单元动态存储器必需的。管单元动态存储器必需的。VVV（2）伪单元（）伪单元（dummy cell） 存储单元是

11、单端结构，为了变成双端差分式，要在存储单元是单端结构，为了变成双端差分式，要在灵敏放大器的左右两端各增加一个伪单元，与正式单元灵敏放大器的左右两端各增加一个伪单元，与正式单元完全一样。完全一样。作用：（作用：（1）提供参考电压）提供参考电压; （2）减少或者补偿各种干扰，防止两侧不相等的）减少或者补偿各种干扰，防止两侧不相等的电位漂移和时钟脉冲引起的耦合干扰，提高放大器灵敏电位漂移和时钟脉冲引起的耦合干扰，提高放大器灵敏度。度。工作原理：工作原理： EQ=1时，时，BLL和和BLR被预充到被预充到 ，同时，同时L=R=1,把伪单把伪单元也预充到元也预充到 。在读操作时，假如阵列左边一个单元被选

12、。在读操作时，假如阵列左边一个单元被选中，中，BLL将变化将变化V，这同时，这同时R=1，使右边的伪单元选择而给出，使右边的伪单元选择而给出参考电压，参考电压，BLR= ，当，当BLL高于高于 时，输出为时，输出为1，否，否则为则为0。保证了放大器工作可靠。保证了放大器工作可靠。讨论：讨论：（1）将位线一分为二减小了位线的电容值，增加了电荷转移比）将位线一分为二减小了位线的电容值，增加了电荷转移比;（2）二边完全对称非常重要。）二边完全对称非常重要。/2DDV/2DDV/2DDV/2DDV四、四、MOS静态随机存取存储器静态随机存取存储器SRAM不需要时钟和刷新，工作稳定，单元简单，外不需要时

13、钟和刷新，工作稳定，单元简单，外围电路也比围电路也比DRAM简单简单(1)MOS静态存储单元静态存储单元用基本触发器做为存用基本触发器做为存贮单元，贮单元，T3、T4是存取晶是存取晶体管体管(NMOS传输门传输门)。负载负载可以是可以是R，饱和，饱和E/E，非饱，非饱和和E/E，PMOS(CMOS)。W=1时，可以写入或读出时，可以写入或读出W=0时，维持状态时，维持状态 目前用的最多的是电阻负载，用不掺杂的多晶硅做电阻。目前用的最多的是电阻负载，用不掺杂的多晶硅做电阻。相比相比CMOS静态单元，静态单元，PMOS被改为电阻，连线问题被简化，被改为电阻，连线问题被简化，单元尺寸明显减小。为了减

14、小功耗，单元尺寸明显减小。为了减小功耗，R较大较大,但会影响速度，也但会影响速度，也会使单元尺寸加大。会使单元尺寸加大。CMOS的优点是功耗小。的优点是功耗小。l写数据时，首先把数据传给位线，然后写数据时，首先把数据传给位线，然后W=1，数据就，数据就写入了。写入了。l读信息时，先把位线读信息时，先把位线B和都充到和都充到VDD/2，然后，然后W=1，这可使位线上的信号差幅度减小，提高了速度。这可使位线上的信号差幅度减小，提高了速度。l目前，相同容量的目前，相同容量的SRAM价格是价格是DRAM的的8倍左右，倍左右，面积则将近大面积则将近大4倍，所以倍，所以SRAM常用于快速存储的较常用于快速

15、存储的较低容量的低容量的RAM需求，比如需求，比如Cache(缓存）等。缓存）等。 BCMOS静态存贮单元图形静态存贮单元图形五、五、EPROMl(1)浮栅晶体管浮栅晶体管(floating-gate transistor) 特点：特点：1在普通在普通MOS管的栅与沟道之间插一多晶硅层，它与管的栅与沟道之间插一多晶硅层，它与谁也不连接，称为浮栅谁也不连接，称为浮栅2因为有浮栅，跨导因为有浮栅，跨导，VT （相比普通（相比普通MOS管）管）3 VT可以改变，即可以编程。当在源与栅漏之间加可以改变，即可以编程。当在源与栅漏之间加1520V的编程电压时，的编程电压时，DS方向强电场会引发雪崩效应，电

16、方向强电场会引发雪崩效应，电子获得足够的能量（子获得足够的能量（3.2ev），借助），借助VGS而穿过而穿过SiO2进入浮进入浮栅。所以浮栅晶体管也称为浮栅雪崩注入栅。所以浮栅晶体管也称为浮栅雪崩注入MOS管管(floating gate avalanche-injection MOS transistor-FAMOS)当浮栅上电子积累时，也降低了氧化层上的电场，最后会达当浮栅上电子积累时，也降低了氧化层上的电场，最后会达到平衡。如果撤去外电压，浮栅上将为负电位，这等于加大到平衡。如果撤去外电压，浮栅上将为负电位，这等于加大了了MOS管的管的VT。为了使。为了使MOS管导通，需要加更高的电压克

17、管导通，需要加更高的电压克服浮栅上的负电荷的影响。服浮栅上的负电荷的影响。l(2)EPROM工作原理工作原理l编程后的编程后的MOS管管VGS=5V时已不能开启时已不能开启(VGS7V)，等效为，等效为关断，即字线和位线的交叉处不存在关断，即字线和位线的交叉处不存在MOS管管(状态状态1)。没。没有编程的有编程的MOS管管VGS=5V可以打开可以打开(状态状态0)。l由于浮栅被由于浮栅被SiO2包围，切断电源后电荷仍可以在浮栅上驻包围，切断电源后电荷仍可以在浮栅上驻留若干年，即是不挥发性的。留若干年，即是不挥发性的。l强紫外光的光子能量为强紫外光的光子能量为4.9ev，超过了，超过了SiO2和

18、之间的势垒和之间的势垒高度。所以用紫外光照射时，浮栅上的电子会获得能量，高度。所以用紫外光照射时，浮栅上的电子会获得能量，回到了衬底材料中。这样就起到了擦除的作用。回到了衬底材料中。这样就起到了擦除的作用。l讨论：讨论：EPROM存储单元简单、紧凑，适宜制作大规模的存储单元简单、紧凑，适宜制作大规模的ROM，价格较低，适合于不需要经常重复编程的场合。，价格较低，适合于不需要经常重复编程的场合。六、六、E2PROMl是浮栅晶体管的改进型：浮栅上有一延长区，它与是浮栅晶体管的改进型：浮栅上有一延长区，它与漏之间的漏之间的SiO2厚度只有厚度只有10nm左右左右(浮栅是几十浮栅是几十100nm)。当

19、栅。当栅-漏加上漏加上10V电压时，电压时，E=109v/m，电，电子会由于遂道效应穿过氧化层到达浮栅。子会由于遂道效应穿过氧化层到达浮栅。l优点：编程可逆。优点：编程可逆。VGD=10V时电子进入浮栅，擦除时时电子进入浮栅，擦除时VGD=-10V，电子从浮栅扫向衬底。电子从浮栅扫向衬底。l缺点：缺点： VT的控制难：的控制难：VT不仅取决于浮栅上初始负电荷的数目，也不仅取决于浮栅上初始负电荷的数目，也取决于移走了多少负电荷。移走太多电荷可能会使取决于移走了多少负电荷。移走太多电荷可能会使MOS管成为耗管成为耗尽型，字线为零时也导通。尽型，字线为零时也导通。l解决方法：解决方法： 单元中增加常

20、规单元中增加常规MOS管。管。 浮栅浮栅MOS管只完成储存负电荷的功能。管只完成储存负电荷的功能。编程时，使浮栅编程时，使浮栅MOS管管VTVDD，擦除后，擦除后，VTVDD，相当于常规，相当于常规MOS 管的源接地。管的源接地。优点：擦写次数多，使用方便优点：擦写次数多，使用方便缺点：单元有缺点：单元有2个个MOS管，有浮栅延长区，管，有浮栅延长区，薄栅区工艺困难，因此集成度小，价格高。薄栅区工艺困难，因此集成度小，价格高。七、七、Flash E2PROMl把把EPROM和和E2PROM的结构结合起来，具有的结构结合起来，具有EPROM的集成度，又有的集成度，又有E2PROM的灵活性。的灵活性。l特点：整个浮栅下面的特点：整个浮栅下面的SiO2厚度只有厚度只有10nm，擦除时，擦除时栅接地，源接栅接地，源接12V。这时隧道效应起作用，电子从浮。这时隧道效应起作用，电子从浮栅到源。编程时栅加栅到源。编程时栅加12V，漏接，漏接6V，源接地，电子通，源接地，电子通过雪崩效应注入浮栅。过雪崩效应注入浮栅。