1、夏煒煒夏煒煒揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院E-mail：2022-3-23232022-3-23內(nèi)容提要n概述概述 存儲器的分類存儲器的分類 存儲器的容量存儲器的容量 存儲器的結(jié)構(gòu)存儲器的結(jié)構(gòu)n只讀存儲器（只讀存儲器（ROM）n非揮發(fā)存儲器（非揮發(fā)存儲器（NVRWM）n隨機(jī)存取存儲器（隨機(jī)存取存儲器（RAM）42022-3-231.存儲器分類存儲器分類一、概述一、概述存儲器是用來存放（記憶）數(shù)據(jù)、指令、程存儲器是用來存放（記憶）數(shù)據(jù)、指令、程序等信息，并根據(jù)需要能讀出或既能讀出又序等信息，并根據(jù)需要能讀出或既能讀出又能寫入這些信息的集成電路能寫入這些信息的集成電路5202

2、2-3-23存儲容量：存儲單元的總數(shù)。存儲容量：存儲單元的總數(shù)。2.存儲器的容量存儲器的容量一個存儲單元可存儲一個二進(jìn)制一個存儲單元可存儲一個二進(jìn)制數(shù)位（數(shù)位（bit）字長：字的位數(shù)稱為字長。如字長：字的位數(shù)稱為字長。如4位、位、8位、位、16位、位、32位等。位等。因此，存儲容量常用因此，存儲容量常用“N（個字）（個字）M（位）（位）”表示。表示。如：如：1024位的存儲器，若字長為位的存儲器，若字長為8，則存儲，則存儲128個字（個字（1288）。）。62022-3-231D Memory 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Word 0Word 1Word 2Word n-1Word n-2StorageCellm

3、 bitsn wordsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/Outputn words n 個選擇信號個選擇信號Word 0Word 1Word 2Word n-1Word n-2StorageCellm bitsS0S1S2S3Sn-2Sn-1Input/OutputA0A1Ak-1Decoder通過譯碼器通過譯碼器 ：輸入信號數(shù)：輸入信號數(shù)k = log2 n3.存儲器的結(jié)構(gòu)存儲器的結(jié)構(gòu)72022-3-232D Memory結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)A0Row DecoderA1Aj-1靈敏放大器靈敏放大器位線位線 ( bit line ) 字線字線 ( word line )存儲單元存儲單元(st

4、orage cell)行地址行地址列地址列地址AjAj+1Ak-1讀讀/寫電路寫電路Column Decoder2k-j2jInput/Output (m bits)82022-3-233D Memory 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Row AddrColumn AddrBlock AddrInput/Output (m bits)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 1. 更短的字或位線更短的字或位線 2. 塊地址選擇只激活一個塊，因此節(jié)省功耗塊地址選擇只激活一個塊，因此節(jié)省功耗92022-3-23存儲器的構(gòu)成： 1.存儲陣列 2.地址譯碼器（行和列地址譯碼器） 3.讀寫電路102022-3-23二、只讀存儲器二、只讀存儲器ROM(Re

5、ad Only Memory)WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGNDDiode ROMMOS ROM 1MOS ROM 21.只讀存儲器的存儲單元只讀存儲器的存儲單元112022-3-232.MOS OR ROMWL0VDDBL0WL1WL2WL3VbiasBL1Pull-down loadsBL2BL3VDD122022-3-233.MOS NOR ROMWL0GNDBL0WL1WL2WL3VDDBL1Pull-up devicesBL2BL3GND132022-3-23MOS NOR ROM Layout 1用擴(kuò)散層編程用擴(kuò)散層編程PolysiliconMetal

6、1DiffusionMetal1 on Diffusion面積小面積小142022-3-23MOS NOR ROM Layout 2PolysiliconMetal1DiffusionMetal1 on Diffusion用接觸孔編程用接觸孔編程工序?yàn)楹笃?，因此不工序?yàn)楹笃冢虼瞬挥迷跀U(kuò)散層就等用戶用在擴(kuò)散層就等用戶152022-3-234.MOS NAND ROM默認(rèn)情況下字線為高，被選中時為低。默認(rèn)情況下字線為高，被選中時為低。WL0WL1WL2WL3VDDPull-up devicesBL3BL2BL1BL0字線工作在負(fù)邏輯字線工作在負(fù)邏輯162022-3-23MOS NAND ROM

7、Layout1不需要到不需要到VDD和和GND的接觸孔的接觸孔;跟跟 NOR ROM相比，性能有所下降。相比，性能有所下降。進(jìn)一步更加減小了版圖面積；進(jìn)一步更加減小了版圖面積；PolysiliconDiffusionMetal1 on Diffusion用金屬用金屬1層編程層編程用金屬將不需要的晶體管源漏短路用金屬將不需要的晶體管源漏短路172022-3-23NAND ROM Layout2PolysiliconThreshold-alteringimplantMetal1 on Diffusion用離子注入層編，用離子注入層編，需增加一道工序需增加一道工序注入注入n型雜質(zhì)降型雜質(zhì)降低閾值使其

8、變成低閾值使其變成耗盡型，相當(dāng)于耗盡型，相當(dāng)于短路短路182022-3-23普通普通OR、NOR、NAND結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)n靜態(tài)功耗大，當(dāng)輸出為低（NOR、NAND）或高（OR）時，存在一個從VDD到GND的靜態(tài)電流通路。WL0GNDBL0WL1WL2WL3VDDBL1Precharge devicesBL2BL3GNDpre預(yù)沖管充電時，所有下拉管（字線控制的管子）關(guān)斷。預(yù)沖管充電時，所有下拉管（字線控制的管子）關(guān)斷。優(yōu)點(diǎn)：消除了靜態(tài)功耗。優(yōu)點(diǎn)：消除了靜態(tài)功耗。缺點(diǎn)：增加了時鐘信號發(fā)生電路缺點(diǎn)：增加了時鐘信號發(fā)生電路preWL0202022-3-236.地址譯碼器(1).行譯碼器 行譯碼器的

9、任務(wù)是從存儲陣列諸多行中選中所需的行b. NAND譯碼器譯碼器a. NOR譯碼器譯碼器n行譯碼器n列譯碼器212022-3-23Precharge devicesVDDf fGNDWL3WL2WL1WL0A0A0GNDA1A1f fWL3A0A0A1A1WL2WL1WL0VDDVDDVDDVDD2-input NOR decoder2-input NAND decoder規(guī)模較大時，規(guī)模較大時，NOR譯碼器譯碼速度快，但占面積譯碼器譯碼速度快，但占面積大大,NAND譯碼器面積小，但因管子串聯(lián)較多速度慢譯碼器面積小，但因管子串聯(lián)較多速度慢兩級譯碼方式兩級譯碼方式222022-3-23NAND譯碼

10、器譯碼器NOR譯碼器譯碼器232022-3-23兩級譯碼方式兩級譯碼方式98765432100AAAAAAAAAAWL )( )( )( )( )(98765432100AAAAAAAAAAWL A2A2A2A3WL0A2A3A2A3A2A3A3A3A0A0A0A1A0A1A0A1A0A1A1A1WL1大大減少了串聯(lián)晶體管，大大減少了串聯(lián)晶體管，增加了速度。增加了速度。242022-3-23(2).列譯碼器 A0S0BL0BL1BL2BL3A1S1S2S3D優(yōu)點(diǎn)：每個信號傳輸路徑上只增加了一個傳輸門，對速度影響小優(yōu)點(diǎn)：每個信號傳輸路徑上只增加了一個傳輸門，對速度影響小缺點(diǎn)：晶體管數(shù)目多缺點(diǎn)：晶

11、體管數(shù)目多基于傳輸門的列譯碼器基于傳輸門的列譯碼器譯譯碼碼器器252022-3-23BL0BL1BL2BL3DA0A0A1A1樹型列譯碼器樹型列譯碼器優(yōu)點(diǎn)：晶體管數(shù)目大量減少優(yōu)點(diǎn)：晶體管數(shù)目大量減少缺點(diǎn)：速度減慢缺點(diǎn)：速度減慢解決方法：加緩沖器解決方法：加緩沖器xxxxxPrCA3CA2CA1CA0RA3RA2RA1RA0DoutxxxxxPrCA3CA2CA1CA0RA3RA2RA1RA0Dout282022-3-23ROM的編程與分類的編程與分類掩模ROM可編程ROM（PROM）UCC字線Wi位線Di熔絲(a)(b)字線熔絲位線字線Wi位線Di(a)V1V2位線Di字線Wi(b)熔絲型PR

12、OM存儲單元PN結(jié)擊穿法PROM存儲單元292022-3-23Floating gateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtox器件截面圖器件截面圖電路符號電路符號GSD1. Floating-Gate Transistor (EPROM)三、非揮發(fā)性存儲器三、非揮發(fā)性存儲器302022-3-23浮柵晶體管的編程過程0 V0 VDS5 V5 VDS .20 V20 VDS加上高的編程電壓加上高的編程電壓后，發(fā)生雪崩倍增后，發(fā)生雪崩倍增產(chǎn)生的高能熱電子產(chǎn)生的高能熱電子注入浮柵注入浮柵一般用紫外擦除一般用紫外擦除電壓移去后，電壓移去后，電荷依然存在電荷依然存在加上普

13、通工作加上普通工作電壓后，由于電壓后，由于晶體管閾值電晶體管閾值電壓被抬高從而壓被抬高從而不導(dǎo)通不導(dǎo)通312022-3-23A “Programmable-Threshold” Transistor“ 0”-state“ 1”-stateDVTVWLVGS“ON”“OFF”ID322022-3-23特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.只能只能“系統(tǒng)外系統(tǒng)外”擦除，擦除時間長；擦除，擦除時間長；2.位密度高，價格低。位密度高，價格低。332022-3-232.EEPROM (電可擦除可編程只讀存儲器電可擦除可編程只讀存儲器)Floating gateSourceSubstratepGateDrainn+n+Fowl

14、er-Nordheim I-V characteristic2030 nm-10 V10 VIVGD氧化層厚度氧化層厚度10 nm342022-3-23EEPROM的編程過程的編程過程10V0V隧道擊穿機(jī)理隧道擊穿機(jī)理電子注入浮動?xùn)艠O電子注入浮動?xùn)艠O移去編程電壓后移去編程電壓后電荷仍被捕獲電荷仍被捕獲5V5V編程形成了較高的編程形成了較高的閾值電壓閾值電壓352022-3-23EEPROM的擦除過程的擦除過程0V10V隧道擊穿機(jī)理隧道擊穿機(jī)理電子注出浮動?xùn)艠O電子注出浮動?xùn)艠O擦除后恢復(fù)擦除后恢復(fù)未編程狀態(tài)未編程狀態(tài)過擦除形成過擦除形成耗盡型晶體管耗盡型晶體管0V10V問題：標(biāo)準(zhǔn)字線無法關(guān)斷晶體管

15、問題：標(biāo)準(zhǔn)字線無法關(guān)斷晶體管362022-3-23B2讀出錯誤！讀出錯誤！372022-3-23EEPROM CellWLBLVDD 2 transistor cell被編程晶體管閾值大于被編程晶體管閾值大于VDD,相當(dāng)于開路相當(dāng)于開路未被編程晶體管處于常通狀態(tài)未被編程晶體管處于常通狀態(tài)382022-3-23WL控制柵控制柵2 2浮柵浮柵1 1VDDe-e-N+N+N+選擇晶體管選擇晶體管BLGndFN隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)Psub特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.可按位（字節(jié)）擦除；可按位（字節(jié)）擦除；2.每個單元需要每個單元需要2個晶體管，位密度個晶體管，位密度低，價格比低，價格比EPROM高。高。392022-

16、3-233.Flash EEPROMControl gateerasurep-substrateFloating gateThin tunneling oxiden+sourcen+drainprogramming編程：熱電子注入編程：熱電子注入擦除：隧穿機(jī)理擦除：隧穿機(jī)理402022-3-23Cross-sections of NVM cellsEPROMFlash412022-3-23Basic Operations in a NOR Flash MemoryWriteSD12 V6 VGBL0BL16 V 0 VWL0WL112 V0 V0 V422022-3-23Basic Opera

17、tions in a NOR Flash MemoryRead5 V1 VGSDBL0BL11 V 0 VWL0WL15 V0 V0 V432022-3-23Basic Operations in a NOR Flash MemoryEraseSD12 VGcellarrayBL0BL1openopenWL0WL10 V0 V12 V特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.須按塊擦除；須按塊擦除；2. 位密度高，速度快位密度高，速度快442022-3-23Characteristics of State-of-the-art NVM452022-3-23q 靜態(tài)讀寫存儲器靜態(tài)讀寫存儲器 (SRAM)q 動態(tài)態(tài)讀寫存儲

18、器動態(tài)態(tài)讀寫存儲器 (DRAM)存儲數(shù)據(jù)保存時間長存儲數(shù)據(jù)保存時間長面積大面積大 (6 transistors/cell)快快需要周期性刷新需要周期性刷新面積小面積小 (1-3 transistors/cell)慢慢462022-3-23時序電路的時序電路的存儲機(jī)理？存儲機(jī)理？0110011靜態(tài)保持靜態(tài)保持動態(tài)保持動態(tài)保持11472022-3-23基本基本SRAMSRAM單元和電壓傳輸特性單元和電壓傳輸特性字線字線位位線線位線位線qq211. SRAM482022-3-23WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQVDDVDDCCCCP208 圖圖10.37 (1) 6管管CMOS SRA

19、M單元單元492022-3-23CMOS SRAM Analysis (Read)WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQ=1Q=0VDDVDDCCCC讀信號時根據(jù)讀信號時根據(jù)位線上電平是位線上電平是否有變化判斷否有變化判斷為為“1”或或“0”無變化無變化有變化有變化502022-3-23CMOS SRAM Analysis (Write) WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=1512022-3-236T-SRAM Layout VDDGNDQQWLBLBLM1M3M4M2M5M6WLBL=1VDDM5M6M4M1M2M3BL=0Q=0Q=1522022-3-23R

20、esistance-load SRAM CellM3RLRLVDDWLQQM1M2M4BLBL532022-3-23SRAM Characteristics542022-3-23(2)差分靈敏放大器（用于差分靈敏放大器（用于SRAM）M4M1M5M3M2VDDbitbitSEy偏置電偏置電流源流源ISS電流鏡電流鏡I3I4I3=I4OUT穩(wěn)態(tài)時，穩(wěn)態(tài)時，I1=I2=ISS/2I1I21.設(shè)設(shè)bit下降到一個規(guī)定下降到一個規(guī)定值時使得值時使得M1關(guān)斷，則關(guān)斷，則 I3=I4=0 I2=ISSOUT恒流放電至恒流放電至02.設(shè)設(shè)bit下降到一個規(guī)定下降到一個規(guī)定值時使得值時使得M2關(guān)斷，則關(guān)斷，則

21、 I1=ISS I2=0 I3=I4=ISSOUT恒流充電至恒流充電至VDD552022-3-232. DRAM WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWLVDDVDD-VTDVVDD-VTBL2BL1XRWLWWL(1) 3管管DRAM單元單元562022-3-233T-DRAM LayoutBL2BL1GNDRWLWWLM3M2M1WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWL572022-3-23 Write:通過字線和位線通過字線和位線CS被充電或放電被充電或放電. Read: 電荷在存儲電容和位線電容之間進(jìn)行再分配電荷在存儲電容和位線電容之間進(jìn)行再分配電壓變化量較小電壓變化量較小; 典型值大約典型值大約 250 mV.D VBLVPRE(VBITVPRE )CSCSCBL+-=VM1CSWLBLCBLVDD2VTWLXsensingBLGNDWrite 1Read 1VDDVDD/2VDD/2破壞性讀，需動態(tài)破壞性讀，需動態(tài)恢復(fù)刷新恢復(fù)刷新(2) 1管管DRAM單元單元X重分配后位重分配后位線電壓線電壓CS上的初始上的初始電壓電壓582