半导体存储器分类

半导体存储器 1存储器简介 存储器（Memory ）是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。在数字系 统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实 物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如 RAM、FIFO 等；在系统中，具 有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF 卡等。计算机中全部信息， 包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存 储器中。 存储器件是计算机系统的重要组成部分，现代计算机的内存储器多采用半 导体存储器。存储器（Memory）计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数 据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果 和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。 自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从 一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘， 纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。 存储器的主要功能是存储程序和各种 数据，并能在计算机运行过程中高速、 自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有 两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中 采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别 表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储 器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二 进制代码才能存储和操作。 储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组 成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许 多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。每个存储单元的 位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单 元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由 20 位二 进制数（即 5 位十六进制数）组成，则可表示 2 的 20 次方，即 1M 个存储单 元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为 1MB。 2半导体存储器 半导体存储器(semi-conductor memory)是一种以半导体电路作为存储媒体的 存储器。由于对运行速度的要求，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。 内存储器就是由称为存储器芯片的半导体集成电路组成。半导体存储器包括只 读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。 2.1 只读存储器 只读存储器（英语：Read-Only Memory，简称： ROM）。ROM 所存数据， 一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器 那样能快速地、方便地加以改写。ROM 所存数据稳定 ，断电后所存数据也不 会改变；其结构较简单，读出较方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。 除少数品种的只读存储器（如字符发生器）可以通用之外，不同用户所需只读 存储器的内容不同。为便于使用和大批量生产，进一步发展了可编程只读存储 器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和带电可擦可编程只读 存储器（EEPROM ）。 掩模型只读存储器(MASK ROM)是制造商为了要大量生产，事先制作一颗有 原始数据的 ROM 或 EPROM 当作样本，然后再大量生产与样本一样的 ROM，这一 种做为大量生产的 ROM 样本就是 MASK ROM，而烧录在 MASK ROM 中的资料永远 无法做修改。 掩模制作技术是半导体工艺技术中制作光刻工艺用的光复印掩蔽模版 的技术，亦称制版技术。半导体集成电路制作过程通常需要经过多次光刻 工艺，在半导体晶体表面的介质层上开凿各种掺杂窗口、电极接触孔或在 导电层上刻蚀金属互连图形。光掩模制作技术大体上可分为传统的刻图缩 微制版技术系统、计算机辅助设计、光学图形发生器自动制版技术系统和 以电子束扫描成像为代表的各种短波长射线成像曝光技术系统。 可编程只读存储器（英文：Programmable ROM，简称： PROM）一般可 编程一次。PROM 存储器出厂时各个存储单元皆为 1，或皆为 0。用户使用时， 再使用编程的方法使 PROM 存储所需要的数据。PROM 需要用电和光照的方 法来编写与存放的程序和信息。但仅仅只能编写一次，第一次写入的信息就被 永久性地保存起来。 PROM 的典型产品是“双极性熔丝结构”，如果我们想改 写某些单元，则可以给这些单元通以足够大的电流，并维持一定的时间，原先 3 的熔丝即可熔断，这样就达到了改写某些位的效果。另外一类经典的 PROM 为 使用“肖特基二极管”的 PROM，出厂时，其中的二极管处于反向截止状态， 还是用大电流的方法将反相电压加在“肖特基二极管”，造成其永久性击穿即 可。可编程只读存储器是在 1956 年由周文俊所发明的。PROM 的总体结构、 工作原理和使用方法都与掩膜 ROM 相同。不同的是 PROM 器件出厂时在存储 矩阵的每个交叉点上均设置了二极管，并且有快速熔断丝与二极管串连。 可擦可编程序只读存储器（EPROM）由以色列工程师 Dov Frohman 发明， 是一种断电后仍能保留数据的计算机储存芯片 即非易失性的（非挥发性）。 它是一组浮栅晶体管，被一个提供比电子电路中常用电压更高电压的电子器件 分别编程。一旦编程完成后，EPROM 只能用强紫外线照射来擦除。通过封装 顶部能看见硅片的透明窗口，很容易识别 EPROM，这个窗口同时用来进行紫 外线擦除。可以将 EPROM 的玻璃窗对准阳光直射一段时间就可以擦除。 电可擦可编程只读存储器 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电 脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。EEPROM 是用 户可更改的只读存储器，其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写） 。由 EPROM 操作的不便，后来出的主板上 BIOS ROM 芯片大部分都采用 EEPROM。EEPROM 的擦除不需要借助于其它设备，它是以电子信号来修改其内 容的，而且是以 Byte 为最小修改单位，不必将资料全部洗掉才能写入，在写入 数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就 可以轻而易举地改写内容，所以，它属于双电压芯片。 闪速存储器（英文：Flash memory）是英特尔公司 90 年代中期发明的一 种高密度、非易失性的读/写半导体存储器它既有 EEPROM 的特点，又有 RAM 的特点，因而是一种全新的存储结构。闪存（Flash Memory）是一种长寿命的 非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器，数据删除不 是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位（注意：NOR Flash 为字节存 储），区块大小一般为 256KB 到 20MB。闪存是电子可擦除只读存储器 （EEPROM ）的变种，闪存与 EEPROM 不同的是， EEPROM 能在字节水平 上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，而闪存的大部分芯片需要块擦除。由 于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的 BIOS（基本程序）、PDA（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。NOR 型 闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而 NAND 型更像硬盘，地址线和数据线是共用的 I/O 线，类似硬盘的所有信息都通 过一条硬盘线传送一般，而且 NAND 型与 NOR 型闪存相比，成本要低一些，而容 量大得多。闪存卡（Flash Card）是利用闪存（Flash Memory）技术达到存储 电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3 等小型数码产品中 作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同 的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有 SmartMedia（ SM 卡）、Compact Flash（ CF 卡）、MultiMediaCard （MMC 卡）、 Secure Digital（ SD 卡）、 Memory Stick（记忆棒）、 XD-Picture Card（XD 卡）和微硬盘 （MICRODRIVE）。 EPROM 是指其中的内容可以通过特殊手段擦去，然后重新写入。其基本 单元电路（存储细胞），常采用浮空栅雪崩注入式 MOS 电路，简称为 FAMOS。它与 MOS 电路相似，是在 N 型基片上生长出两个高浓度的 P 型区， 通过欧姆接触分别引出源极 S 和漏极 D。在源极和漏极之间有一个多晶硅栅 极浮空在 SiO2绝缘层中，与四周无直接电气联接。这种电路以浮空栅极是 否带电来表示存 1 或者 0，浮空栅极带电后（譬如负电荷），就在其下面， 源极和漏极之间感应出正的导电沟道，使 MOS 管导通，即表示存入 0。若浮 空栅极不带电，则不形成导电沟道，MOS 管不导通，即存入 1。EEPROM 与 EPROM 相似，它是在 EPROM 基本单元电路的浮空栅的上面再生成一个浮空栅， 前者称为第一级浮空栅，后者称为第二级浮空栅。可给第二级浮空栅引出 一个电极，使第二级浮空栅极接某一电压 VG。若 VG 为正电压，第一浮空栅 极与漏极之间产生隧道效应，使电子注入第一浮空栅极，即编程写入。若 使 VG 为负电压，强使第一级浮空栅极的电子散失，即擦除。擦除后可重新 写入。闪存的基本单元电路，与 EEPROM 类似，也是由双层浮空栅 MOS 管组 成。但是第一层栅介质很薄，作为隧道氧化层。写入方法与 EEPROM 相同， 在第二级浮空栅加以正电压，使电子进入第一级浮空栅。读出方法与 EPROM 相同。擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效 应，把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除， 因此各单元的源极联在一起，这样，快擦存储器不能按字节擦除，而是全 片或分块擦除。 2.2 随机存储器 随机存取存储器（random access memory，RAM）又称作“随机存储器”， 可分为 SRAM（Static RAM，静态随机存取存储器）和 DRAM（Dynamic RAM， 5 动态随机存取存储器）。SRAM 曾经是一种主要的内存，它以 6 颗电子管组成 一位存储单元，以双稳态电路形式存储数据，因此不断电时即可正常工作， 而且它的处理速度比较快而稳定，不过由于它结构复杂，内部需要使用更多 的晶体管构成寄存器以保存数据，所以它采用的硅片面积相当大，制造成本 也相当高，所以现在常把 SRAM 用在比主内存小的多的高速缓存上。而 DRAM 的结构相比之下要简单的多，其基本结构是一个电子管和一个电容，具有结 构简单、集成度高、功耗低、生产成本低等优点，适合制造大容量存储器， 所以现在我们用的内存大多是由 DRAM 构成的。但是，由于是 DRAM 将每个内 存位作为一个电荷保存在位存储单元中，用电容的充放电来做储存动作，因 电容本身有漏电问题，因此必须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失。 所谓“随机存取”，指的是当存储器中的数据被读取或写入时，所需 要的时间与这段信息所在的位置或所写入的位置无关。相对的，读取或写 入顺序访问（Sequential Access）存储设备中的信息时，其所需要的时间 与位置就会有关系。它主要用来存放操作系统、各种应用程序、数据等。 当电源关闭时 RAM 不能保留数据。如果需要保存数据，就必须把它们写入 一个长期的存储设备中（例如硬盘）。RAM 和 ROM 相比，两者的最大区别是 RAM 在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而 ROM 不会自动消失，可以 长时间断电保存。随机存取存储器对环境的静电荷非常敏感。静电会干扰 存储器内电容器的电荷，引致数据流失，甚至烧坏电路。故此触碰随机存 取存储器前，应先用手触摸金属接地。现代的随机存取存储器依赖电容器 存储数据。电容器充满电后代表 1(二进制)，未充电的代表 0。由于电容器 或多或少有漏电的情形，若不作特别处理，数据会渐渐随时间流失。刷新 是指定期读取电容器的状态，然后按照原来的状态重新为电容器充电，弥 补流失了的电荷。需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性。 静态随机存储器(SRAM)静态存储单元是在静态触发器的基础上附加门 控管而构成的。因此，它是靠触发器的自保功能存储数据的。动态 RAM 的 存储矩阵由动态 MOS 存储单元组成。动态 MOS 存储单元利用 MOS 管的栅极 电容来存储信息，但由于栅极电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对等 于 0，所以电荷保存的时间有限。为了避免存储信息的丢失，必须定时地给 电容补充漏掉的电荷。通常把这种操作称为“刷新”或“再生”，因此 DRAM 内部要有刷新控制电路，其操作也比静态 RAM 复杂。尽管如此，由于 DRAM 存储单元的结构能做得非常简单，所用元件少，功耗低，已成为大容 量 RAM 的主流产品。 RAM 电路由地址译码器、存储矩阵和读写控制电路三部分组成，存储矩 阵由触发器排列而成，每个触发器能存储一位数据(0 或 1)。通常将每一组 存储单元编为一个地址，存放一个“字”；每个字的位数等于这一组单元 的数目。存储器的容量以“字数位数”表示。地址译码器将每个输入的 地址代码译成高(或低)电平信号，从存储矩阵中选中一组单元，使之与读 写控制电路接通。在读写控制信号的配合下，将数据读出或写入。 随机存储器，是与 CPU 直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。 它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程 序的临时数据存储媒介。 内存是计算机中重要的部件之一，它是与 CPU 进行沟通的桥梁。计算机 中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非 常大。内存(Memory)也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放 CPU 中的运 算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。 7 附： 浅谈半导体器件的发展历程 1833 年，英国的巴拉迪最先发现硫化银电阻率随温度变化的规律不同于一般金属，这是 首次发现的半导体现象。 1839 年，法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压， 这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。 1873 年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电阻率减小，这就是半导体的光电导效应， 它是半导体的第四个特性。 1874 年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电阻率与所加电场的方向有关，也是半导体所 特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 1947 年 12 月 23 日，第一块具体管在贝尔实验室诞生，人类进入了飞速发展的电子时代。 1952 年，Ebers 提出可控硅器件(Thyristor)基本模型。 1954 年，贝尔实验室的阙平(Chapin)等人发表 PN 结硅太阳能电池(Solarcell)。1957 年， Kroemer 提出异质结双极型晶体管(HBT)，这种器件具有更快的速度。1958 年，日本的江畸 (Esaki)发现重掺杂 PN 结具有负阻效应，他因此项贡献而获得 1973 年度的诺贝尔物理奖。 1958 年至 1959 年，德州仪器公司的 Kilby 和仙童半导体公司的 Noyce 分别单独发明了在 锗和硅衬底上集成数个晶体管和电阻、电容的集成电路(Integratedcircuit)。从此开创了 称为微电子技术发展进步和广泛深入应用的新纪元，即微电子革命。 1960 年，由于表面态问题得到了有限控制，贝尔实验室的 Kahng 和 Atalla 成功地研制出 第一只实用型金属氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET。 1962 年，Hall 等人研制成功第一个半导体激光二极管。 1963 年，Kroemer 等人发表异质结半导体激光二极管。 1963 年，Gunn 提出转移电子二极管,被称为耿氏隧道二极管。 1963 年，贝尔实验室的 Wanlass 和萨支唐，发明互补式金属氧化物半导体场效应晶体管 (CMOS)器件。 1965 年，Johnston 等人发明碰撞电离雪崩渡越时间二极管。 1965 年，摩尔