半导体存储器分类

半导体存储器

一．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。

二．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，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。

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，摩尔为纪念《电子学》杂志创刊35周年,发表了集成电路上晶体管数目每18个月至24个月翻一番的规律，人称摩尔定律。

1966年，Mead发明金属半导体场效应晶体管MESFET，它是单片微波集成电路的关键器件。

1966年，IBM公司的RobertH.Dennard发明动态随机存储器DRAM，它是一种挥发性半导体存储器(Volatilesemiconductormemory,VSM)，已广泛应用于当今计算机领域。

1967年，贝尔实验室的Kahng和施敏(S.M.Sze)发明非挥发性半导体存储器(Nonvolatilesemiconductormemory,NVSM)。

1970年，Boyle和Smith发明电荷耦合器(CCD)。

1970年，英特尔的FedericoFaggin，TedHoff和StanMazor发明第一个微处理器4004。1980年，Minura等人发明调制掺杂场效应晶体管MODFET，这种器件将成为速度更快的场效应晶体管。

1980年，K.V.Klitzing从MOSFET结构中发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术，获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

1994年，Yano等人发明室温下工作的单电子存储器(Single-electronmemorycell，SEMC)。1998年，IBM公司与日本NEC公司合作，采用原子力显微镜(AFM)技术研制成功碳纳米管晶体管(Carbonnanotubetransistor,CNT)。

1998年，普林斯顿大学研制成功室温下工作的硅基单电子量子点具体管。

2004年，杨福良等人研制成功删长为5nm的纳米线FinFET器件。