只读存储器是目前应用及其广泛，特别以ROM为基础的只读存储器在数据存储、程序存储中得到大力推广，比如计算机的硬盘从机械硬盘转变为SSD硬盘后，无论速度还是用户体验都得到较大提高。下面就掩膜ROM，PROM及EPROM的结构与原理作详细介绍。
1.二极管结构只读存储器的结构及原理：
四位只读存储器的结构如图1所示：
图1 四位只读存储器结构
- 地址输入（A1,A0）：
表1：
| A1 A0 | nY3 | nY2 | nY1 | nY0 | nOE = 1 | nOE = 0 | ||||||
| D3 | D2 | D1 | D0 | D3 | D2 | D1 | D0 | |||||
| 00 | 1 | 1 | 1 | 0 | Z | Z | Z | Z | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 01 | 1 | 1 | 0 | 1 | Z | Z | Z | Z | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 1 | ||||||||
| 11 | 0 | 1 | 1 | 1 | ||||||||
这里只是示意原理，以4位16个存储单元为例进行介绍，由于只有16个单元(16bits)，每次选中4个单元，因次只需2根地址线即可A1,A0 。寻址范围0-3，也是ROM中的行线数目。
- 译码单元：
这里采用2-4译码器，真值表如表1：其输出用来选择某一条位线。
- 数据输出：
D3-D0，决定存储器输出字长。由#OE 控制的反相器输出。
- 采用掩膜技术：
二极管掩膜技术。即位线与字线需要连接的就采用掩膜技术形成二极管。
- 扩展：
- 地址及译码单元扩展。由两位地址线扩展成4位，8位，16位等。
- 字长扩展。如由4位扩展成8位，16位，32位等
- 芯片级联，包括字长扩展与地址译码扩展。
- 无论扩展与否，存储器的内容是预先确定的，因此先有内容后生产芯片。
课堂练习：完成表2-1 对应图2-3 MASK ROM的掩膜数据存储与译码输出。
思考题：（1） 如何进行位扩展？ （2）如何进行单元扩展？（3）阅读相关材料，掌握MASK ROM的相关背景知识。
2. MOS管掩膜技术只读存储器结构与原理
- 采用MOS管掩膜技术
- 采用行列译码的方式。
如图2所示：在对256个单元进行选择时，行译码为4位地址（A7-A4），有16种行选择方式。列选择为4位地址（A3-A0），16选1输出。
图2 MOS掩膜技术
- 列输出采用数据选择器。
4位地址输入（A3-A0），将16位的输出线选择一位输出。地址A7-A0完成256选1的输出。
- 多位输出可以采用并联的方式。如256×8的译码输出，只要八个单元并列输出即可。
- 采用行列输出的方式可以减少数据译码电路的逻辑。
如果直接采用256×1位的ROM需要256个8输入的与非门外加16个反相器。而采用二维结构，4线-16线行译码需要16个4输入与门和8个反相器。16-1的数据选择器需要16个5输入与门，一个16输入或门和8个反相器。可见二维的译码结构，大大减少了译码电路的规模。
- 先有内容后确定如何掩膜，即芯片生产。
3. PROM的结构与原理：
最初的PROM是由厂家提供半定制的模式，用户购买后利用特殊的编程器可以进行一次性编程（OTP），虽然是一次性的的编程，但的确代表了技术进步，由原来ROM厂家提供的掩膜技术编程，转移到用户编程。后来由于多次可编程技术的飞速发展，OTP技术逐渐被EPROM所替代。
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EPROM 的结构与原理
EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它的存储单元采用N沟道叠栅SIMOS管（SLICON-MOS），其结构及符号如图3所示。除控制栅外，还有一个无外引线的栅极，称为浮栅。当浮栅上无电荷时，给控制栅（接在行选择线上）加上控制电压，MOS管导通；而当浮栅上带有负电荷时，则衬底表面感应的是正电荷，使得MOS管的开启电压变高，如图4所示，如果给控制栅加上同样的控制电压，MOS管仍处于截止状态。由此可见，SIMOS管可以利用浮栅是否积累有负电荷来存储二值数据。
图3 SIMOS EPROM的单元
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EPROM 的烧写与擦除
在写入数据前，浮栅是不带电的，要使浮栅带负电荷，必须在SIMOS管的漏、栅极加上足够高的电压（如25V），使漏极及衬底之间的PN结反向击穿，产生大量的高能电子。这些电子穿过很薄的氧化绝缘层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负电荷。当移去外加电压后,浮栅上的电子没有放电回路，能够长期保存。当用紫外线或X射线照射时，浮栅上的电子形成光电流而泄放，从而恢复写入前的状态。照射一般需要15至20分钟。为了便于照射擦除，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。EPROM的擦除为一次性全部擦除，数据写入需要通用或专用的编程器。
图4 栅源极电压改变
EPROM存储器在编程器一般都会进行擦除结果校验，确保整个芯片完全擦除后才能烧写。
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EPROM的优缺点如下：
- 优点：
程序员可以自己烧写程序，摆脱了程序员依赖PROM生产厂家定制程序，或一次性编程。从计算机机房走向工业应用。
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- 缺点：
依然需要价格昂贵的专门擦除设备，擦除时间长，编程前需要验证擦除的有效性。
编程后需要密封防护，防止日光照射，使程序丢失。
图5 紫外线擦除EPROM的外观示意图
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EPROM的发展历程：
表2列出了EPROM的系列产品，及发展历程。
表2
表2 列出了EPROM的系列产品，其中有4个特点：
- 随着时间的推移，芯片的容量越来越大
- 由PMOS到NMOS，再到CMOS的转换
- 功耗和成本逐渐降低
- 使用越来越广泛，尤其在MCS-51单片机被广泛使用后，EPROM作为当时主要的外部程序和数据存储器。
目前已经逐渐被EEPROM和FLASH EPROM所取代。
思考题：如何利用EPROM实现7段数码管译码？
对应视频：
