半导体存储器的设计与实现

半导体存储器的设计与实现
半导体存储器的设计与实现

半导体存储器的设计与实现

汽车与交通工程学院车辆(卓越)1101 孟礼3110401167 摘要:

本文主要采用了文献研究法,通过查阅相关互联网资料和国内外书籍,获得了大量重要的资料。内容上首先研究了半导体产业的相关知识,简述了半导体技术和存储技术的发展历程,及其对人类社会发展所产生的深刻影响;然后重点论述了半导体存储技术的研究现状和发展方向;最后综观半导体产业在国内国外的发展境况,分析世界半导体存储产业重心的转移将可能带给中国半导体产业发展的机遇与挑战。本文是在前人研究的基础上,根据目前状况合理推断未来的趋势,希望可以引起重视读者的重视,增进学术界的交流,从而对半导体存储器向前发展起到一定的积极作用。

关键词:半导体存储器、高速低耗、体积小、产业重心

The design and implementation of a semiconductor

memory device

School of

Automotive and Traffic Engineering Vehicles (excellent)1101

MengLi3110401167

Abstract:This treatise uses a literature study, throughing search Internet information and books at home and abroad, obtaining a lot of important information. Firstly,studied the common knowledge of the semiconductor industry, outlines the development process of semiconductor technology and storage technology, and its profound impact on the development of human

society development; then mainly focus on the research status and development of the semiconductor memory technology and its development direction; finally looking at the development of the semiconductor industry in

the domestic situation globally, analyzing the semiconductor memory industry shift the center of the world will likely bring opportunities and challenges to China's semiconductor industry. This article is based on previous studies, a reasonable inference based on the current status of future trends, hoping to get the reader's attention, promoting academic exchanges, and thus playing a positive role in the development of semiconductor memory forward.

Key words:Semiconductor memory、high speed low consumption、Small size、Industry focus

1本文系半导体存储器课题:主要是分析总结的成果。

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

1.半导体简介 (4)

1.1半导体发展历程 (4)

1.2半导体材料的性质 (5)

1.3半导体技术分析 (6)

2.存储器简介 (7)

2.1存储器的分类 (7)

2.2存储器的发展趋势 (8)

3.半导体存储技术 (9)

3.1半导体存储技术的研究现状 (9)

3.2半导体存储技术发展方向 (11)

4.世界半导体存储产业重心的转移——挑战与机遇共存 (12)

参考文献 (14)

作者简介 (14)

致谢 (15)

导语:

分析摩尔定律知道,CPU的功能和复杂性每年增加一倍,其后期减慢为每18个月增加一倍,而成本则成反比例递减,这一定律揭示了信息技术进步的速度,然而目前半导体存储器性能的发展还远远落后于CPU性能的发展速度, 因此,半导体存储器的容量和速度对计算机系统运行速度起到了关键性的作用。为了满足各种系统和市场需求所提出的不同要求, 今后半导体存储器技术和市场仍将继续发展和繁荣,科学家正在寻找和开发新的存储原理,发展新型的存储器,另一方面半导体存储器在大容量、高速度、低功耗和方便使用等方面有了突飞猛进的发展。

1. 半导体简介

1.1半导体发展历程

“新材料”的发现和使用伴随着人类的文明进程。陶器作为第一种人造材料结束了人类的石器时代,使人类从蒙昧时代进入野蛮时代;在这个“野蛮”时代,人类发明了青铜,青铜制造的农具促进了农业发展;而青铜制造的兵器把人类带进了冷兵器时代,铁器的发明又把人类文明向前推进;而今,钢铁产量仍是衡量一个国家工业化水平和国防实力的标志之一。可以说,一个社会的进步可以用当时人类使用的器物来代表,其中材料起到了决定性的作用。

而在微电子领域里,硅锗等半导体材料为信息化提供了有力支撑,人类传递、储存信息的方式日新月异,超导材料产品还可以加速信息传输和降低能耗、大幅度提高太阳能的利用效率,而纳米科技和纳米器件的发展,可能从根本上改变人类的社会生活和生产方式。

“半导体材料”一词最初出现在20世纪初期的德国,作为一种相对新的材料,当时曾被用于将无线电通信信号从交流转换为直流。在半导体特性能被完全解释之前,为了理解电子行为的量子理论,研究工作持续了几十年直到第二次世界大战。二战后,贝尔实验室的科学家们致力于研究固态硅和锗半导体晶体,领导这

项研究的科学家感到需要替换真空管,且可以用固态半导体材料代替真空管。1947年12月16日诞生了固态晶体管,发明者是威廉·肖克利,约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿,晶体管的名字取自“跨导”和“变阻器”两词,提供了与真空管同样的电功能,但具有固态的显著优点有:尺寸小、无真空、可靠性高、重量轻、较小的发热以及低功耗。这一发现推动了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业,现在,以硅为原料的电子组件产值,已经远远超过了以钢铁为原料的产值,这说明,人类的历史已经进入了一个新的时代,就是硅的时代。[6]硅锗所代表的正是半导体组件,包括存储元件、微处理机、逻辑组件、光电组件与侦测器等等在内,电视、电话、计算机、电冰箱、汽车,这些半导体组件无时无刻不在为我们服务。硅是地壳中最常见的元素,许多石头的主要成分都是二氧化硅,然而,经过数百道制程做出的集成电路,其价值可达上万美金;把石头变芯片的过程可谓点石成金,也是近代科学的奇迹!在日本,有人把半导体比喻为工业社会的稻米,是近代社会一日不可或缺的。科学的说法是,半导体材料是一类具有半导体性能,可用来制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料,支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。在国防上,惟有扎实的电子工业基础,才有强大的国防能力,1991年的波斯湾战争,美国把新一代电子武器发挥得淋漓尽致。从1970年以来,美国与日本间发生多次贸易摩擦,最后在许多项目上两国都选择了妥协,但在半导体方面,双方均不肯轻易让步,最后两国政府郑重签订了协议,足见对半导体产业的重视。当今,半导体产业已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

1.2半导体材料的性质

半导体(semiconductor),指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料,例如:锗、硅、砷化镓等。半导体材料具有三大特性∶掺杂性,热敏性,光敏性。具体解释如下:

○1参杂性:在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质,其导电能力将会成百倍增加,如半导体二极管、三极管等;

○2热敏性:在一些情况下温度变化20倍,电阻率变化可达百万倍以上。利用这一特性可制成自动控制用的热敏元件,如热敏电阻等;

○3光敏性:在光的照射下,电路中产生电流或电流变化。半导体光电效应分为两类,一种光照改变电阻值,称为内光电效应,一种光照下产生一定的电动势,称为阻挡层光电效应。利用半导体材料的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件,如光电池、光电管和光敏电阻等。

另外,半导体还具有负电阻率温度特性(半导体材料在受热后电阻率随温度升高而迅速减小,这与金属材料相反),压阻效应(半导体在受到压力后除发生相应的形变外,能带结构发生相应变化,从而电阻发生变化),磁敏感特性(半导体在磁场中会产生霍尔效应、磁阻效应等,热电效应(是指把热能转变为电能的过程,其中最重要的是温差电现象),导电特性(半导体的导电,同时具有两种载流子,即电子和空穴)等其他特性。

1.3半导体技术分析

半导体技术就是以半导体为材料,制作成组件及集成电路的技术。绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的,因此电子产业又称为半导体产业。半导体技术最大的应用是集成电路(IC),手机、计算机等各种电器与信息产品中,一定有IC存在,它们被用来发挥各种控制功能,把计算机拆开会看到好几块线路板,板上都有一些大小与形状不同的黑色小方块,周围是金属引脚,这就是封装好的IC。

半导体制造过程分成很多层,由下而上逐层依蓝图布局叠积而成,每一层各有不同的材料与功能。随着功能的复杂,结构变得更繁复,技术要求也越来越高,例如先进的IC所需要的制作程序达一千个以上的步骤,这些步骤先依不同的功能组合成小的单元,称为单元制程,包括晶圆的生长技术、薄膜沉积、光刻、蚀刻、掺杂技术和工艺整合等技术。几个单元组成具有特定功能的模块制程,如隔绝模块、接触窗模块或平坦化模块等;最后再组合这些模块制成为某种特定IC的整合制程。[3]

随着半导体技术的演进,除了改善性能与可靠性外,另一重点就是降低成本。降低成本的方式,除了改良制作方法,包括制作流程与采用的设备外,如果能在硅芯片的单位面积内产出更多的IC,成本也会下降,所以半导体技术的一个非常重要的发展趋势,就是把晶体管微小化。当然组件的微小化会带来性能的改变,

幸运的是,这种演进会使IC大部分的特性变好,只有少数变差,而这些就需要利用其它技术来弥补了。随着对微小化的要求,因此产生了纳米技术,纳米技术有很多种,基本上可以分成两类,一类是由下而上的方式或称为自组装的方式,另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等技术为主,后者则以半导体技术为主。以前我们都称IC技术是微电子技术,那是因为晶体管的大小是在微米(10-6米)等级。但是半导体技术发展得非常快,每隔两年就会进步一个世代,尺寸会缩小成原来的一半,这就是有名的摩尔定律(Moore′s Law)。大约在15年前,半导体开始进入次微米,即小于微米的时代,而后是深度微米级,比微米级小很多的时代。到了2001年,晶体管尺寸甚至已经小于0.1微米,也就是小于100纳米。因此现在是纳米电子时代,未来的IC大部分会由纳米技术做成。但是为了达到纳米的要求,半导体制造过程的改变须从基本步骤做起。

在分类上,按照半导体制造技术可以分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。此外还有以化学组分、应用领域、设计方法等进行分类,虽然不常用,但还是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。此外,还有按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

2. 存储器简介

存储器(Memory)是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。[6]

2.1存储器的分类

1.按用途分类

(1)内部存储器:内部存储器又叫内存,是主存储器。用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据。CPU可以对他直接访问,存取速度较快。

(2)外部存储器:外部存储器又叫外存,是辅助寄存器。外存的特点是容量大,所存的信息既可以修改也可以保存。存取速度较慢,要用专用的设备来管理。计算机工作时,一般由内存ROM中的引导程序启动程序,再从外存中读取系统程序和应用程序,送到内存的RAM中,程序运行的中间结果放在RAM中(内存不够是也可以放在外存中),程序的最终结果存入外部存储器。

2.按存储介质分类

(1)半导体存储器。

存储元件由半导体器件组成的叫半导体存储器。其优点是体积小、功耗低、存取时间短。其缺点是当电源消失时,所存信息也随即丢失,是一种易失性存储器。半导体存储器又可按其材料的不同,分为双极型(TTL)半导体存储器和MOS 半导体存储器两种。前者具有高速的特点,而后者具有高集成度的特点,并且制造简单、成本低廉、功耗小、故MOS半导体存储器被广泛应用。

(2)磁表面存储器。

磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质,工作时磁层随载磁体高速运转,用磁头在磁层上进行读写操作,故称为磁表面存储器。按载磁体形状的不同,可分为磁盘、磁带和磁鼓。现代计算机已很少采用磁鼓。由于用具有矩形磁滞回线特性的材料作磁表面物质,它们按其剩磁状态的不同而区分“0”或“1”,而且剩磁状态不会轻易丢失,故这类存储器具有非易失性的特点。

(3)光盘存储器

光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写的存储器,具有非易失性的特点。光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。

3、按存取方式分类

按存取方式可把存储器分为随机存储器、只读存储器、串行访问存储器等

(1)随机存储器RAM :RAM是一种可读写存储器,其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取,而且存取时间与存储单元的物理位置无关。计算机系统中的主存都采用这种随机存储器。由于存储信息原理的不同,RAM又分为静态RAM(以触发器原理寄存信息)和动态RAM(以电容充放电原理寄存信息)。

(2)只读存储器:只读存储器是能对其存储的内容读出,而不能对其重新写入的存储器。这种存储器一旦存入了原始信息后,在程序执行过程中,只能将内部信息读出,而不能随意重新写入新的信息去改变原始信息。因此,通常用它存放固定不变的程序、常数以及汉字字库,甚至用于操作系统的固化。它与随机存储器可共同作为主存的一部分,统一构成主存的地址域。只读存储器分为掩膜型只读存储器MROM(Masked ROM)、可编程只读存储器PROM(Programmable ROM)、

可擦除可编程只读存储器EPROM(Erasable Programmable ROM)、用电可擦除可编程的只读存储器EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)。以及近年来出现了的快擦型存储器Flash Memory,它具有EEPROM的特点,而速度比EEPROM 快得多。

(3)串行访问存储器:如果对存储单元进行读写操作时,需按其物理位置的先后顺序寻找地址,则这种存储器叫做串行访问存储器。显然这种存储器由于信息所在位置不同,使得读写时间均不相同。如磁带存储器,不论信息处在哪个位置,读写时必须从其介质的始端开始按顺序寻找,故这类串行访问的存储器又叫顺序存取存储器。还有一种属于部分串行访问的存储器,如磁盘。在对磁盘读写时,首先直接指出该存储器中的某个小区域(磁道),然后再顺序寻访,直至找到位置。故其前段是直接访问,后段是串行访问,也称其为半顺序存取存储器。

2.2存储器的发展趋势

按照不同的技术,存储器芯片可以细分为EPROM、EEPROM、SRAM、DRAM、FLASH、MASK ROM和FRAM等。存储器技术是一种不断进步的技术,随着各种专门应用不断提出新的要求,新的存储器技术也层出不穷,每一种新技术的出现都会使某种现存的技术走进历史,因为开发新技术的初衷就是为了消除或减弱某种特定存储器产品的不足之处。例如,闪存技术脱胎于EEPROM,它的一个主要用途就是为了取代用于PC机BIOS的EEPROM芯片,以便方便地对这种计算机中最基本的代码进行更新。尽管目前非挥发性存储器中最先进的就是闪存,但技术却并未就此停步。生产商们正在开发多种新技术,以便使闪存也拥有像DRAM和SDRAM那样的高速、低价、寿命长等特点。总之,存储器技术将会继续发展,以满足不同的应用需求。就PC市场来说,更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时间、更低成本的主流DRAM技术将是不二之选。而在其它非挥发性存储器领域,供应商们正在研究闪存之外的各种技术,以便满足不同应用的需求,未来必将有更多更新的存储器芯片技术不断涌现。

3. 半导体存储技术

3.1半导体存储技术的研究现状

有上文介绍可知,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。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。半导体存储器是计算机中最重要的部件之一,最初的冯. 诺依曼计算机程序存储原理就是利用存储器的记忆功能把程序存放起来,使计算机可以脱离人的干预自动地工作。它的存取时间和存取容量直接影响着计算机的性能。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展,半导体存储器的集成度以每三年翻两番的速度在提高,相同容量的存储器在计算机中的体积和成本所占用的比例已越来越小。

通过对半导体存储器的分类的分类,实质上就是对其技术现状的分析,现详细阐述如下:

(1)只读存储器

ROM是线路最简单的半导体电路,通过掩模工艺,一次性制造,在元件正

常工作的情况下,其中的代码与数据将永久保存,并且不能够进行修改。一般地,只读存储器用来存放固定的程序和数据,如微机的监控程序、BIOS (基本输入/输出系统Basic Input/Output System)、汇编程序、用户程序、数据表格等。

根据编程方法不同,ROM可分为以下五种:1、掩码式只读存储器,这类ROM 在制造过程中,其中的数据已经事先确定了,因而只能读出,而不能再改变。它的优点是可靠性高,价格便宜,适宜批量生产。2、可一次性编程只读存储器(PROM),为了使用户能够根据自己的需要来写ROM,厂家生产了一种PROM。允许用户对其进行一次编程──写入数据或程序。一旦编程之后,信息就永久性地固定下来。用户可以读出和使用,但再也无法改变其内容。3、可擦可编程只读存储器(EPROM),这是一种具有可擦除功能,擦除后即可进行再编程的ROM内存,写入前必须先把里面的内容用紫外线照射它的IC卡上的透明视窗的方式来清除掉。4、电可擦可编程只读存储器(EEPROM),功能与EPROM一样,不同之处是清除数据的方式,它是以约20V的电压来进行清除的。另外它还可以用电信号进行数据写入。5、快闪存储器(Flash Memory),是在EEPROM的基础上发展而来,只是它提高了ROM 的读写速度。然而,相比之下,ROM的读取速度比RAM要慢的多,因此,一般都用RAM来存放当前正在运行的程序和数据,并且随时可以对存放在里面的数据进行

修改和存取。而面对CPU的高速发展,内存的速度使得高速运算受到了限制,为

了缓解这种矛盾,人们找到了几种方法,其中一种就是采用更高速的技术,使用更先进的RAM作为内存。于是,就有了RAM的发展历史。

(2)随机存储器

RAM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。

3.2半导体存储技术发展方向

微处理器的高速发展使存储器发展的速度远不能满足CPU 的发展要求,而且这种差距还在拉大。目前世界各大半导体厂商,一方面在致力于成熟存储器的大容量化、高速化、低电压低功耗化,另一方面根据需要在原来成熟存储器的基础上开发各种特殊存储器。

(1)存储器集成度不断提高

由于受到PC 机和办公自动化设备普及要求的刺激,对DRAM 需求量日益激增,再加上系统软件和应用软件对内存有越来越大要求的趋势,特别是新一代操作系统以及很多与图形图象有关的软件包都对内存容量提出了更大的要求,促使各大半导体厂商不断投入数以亿计的巨资发展亚微米集成电路技术,提高存储器的集成度,不断推出大容量化存储器芯片。在半导体领域一直遵循有名的“摩尔(Moore) 定律”——集成度以每18个月提高一倍的速度在发展。集成电路集成度越高,所需要采用的工艺线宽就越小,当达到半导体线度尺寸小于电子波长时,就会产生量子效应。为此正在发展一种称为硅量子细线技术和硅量子点技术的新工艺技术,可望把半导体细线做到10nm ,这样就可以进一步提高半导体的集成度,做出更大容量的存储器芯片。

(2)存储器的低工作电压低功耗化

随着用电池供电的笔记本式计算机和各种便携式带微处理器的电子产品

的问世,要求尽量减少产品的体积、重量和功耗,还要求产品耐用。减小系统体积和重量很重要的方面就是需要减少电池的数量,这又必然要求所用芯片的工作电压降低,耐用就需要降低芯片的功耗。由此就促使世界范围内半导体厂商研究和开发低压的半导体器件,包括低压的存储器。大多数低压存储器采取了3V —3.

3V 工作电压,也有采用2. 7V —1. 8V 电源供电的。如东芝推出的低压EEP2ROM, 日立公司还推出了只有要1V 工作电压的4MBSRAM。采用低电压集成电路技术后,芯片的功耗也大幅度降低,而且其工作速度并没有明显下降,这时电池的重量可

以减轻40 % ,同时电池的寿命延长了3 至4 倍,系统发热量降低,整个系统的体积也不断减小。

(3)新型动态存储器

根据某些特定的需要,有些公司已开发出一些新型的动态存储器:例如,为了提高扫描显示和通信速度以及用于多处理机系统的双端口SRAM(Dual - prot SRAM) ,为了解决图形显示的带宽瓶颈而设计的用于图形卡的视频读写存储器VRAM (Video RAM) ,为了改善Windows 图形用户接口中图形性能WRAM (Windows RAM) ,可用于多处理器系统高速通信的FIFO(First in First Out) 存储器等。

(4)先进半导体存储

静态随机存取存储器技术、高性能的动态随机存取存储器、专用DRAM的结构和设计,先进的不挥发存储器的设计和技术、嵌入式存储器的设计和应用,以及未来存储器的发展方向等。DRAM作为新一代半导体产品制造技术的推动者,除用于计算机领域之外,还用于汽车、航空、航天、电信以及无线工业等领域。近年来,新一代高容量、高性能的存储器结构得到了进一步发展,包括嵌入式存储器和不挥发快闪存储器在内的大容量存储设备得到了越来越广泛的应用。[2]4. 世界半导体存储产业重心的转移

20世纪70年代末,半导体产业重心从美国转移到了日本,而20世纪80年代末, 韩国与中国台湾成为半导体产业的主力。每一次产业重心转移,都引发了整个产业的剧烈震荡,这种力量也给那些新兴国家和地区带来了巨大的经济动力。这种转移在日本造就了日立、东芝、三菱电气、富士通和N EC 等世界顶级的半导体制造商。而仅仅通过十余年的不懈努力, 韩国成为继美国、日本之后的世界第三

个半导体产业中心, 自上个世纪90年代中期以来, 半导体产值一度占据韩国出口产品的第一位。韩国三星公司更成为世界第一大存储器生产大厂。

随着中国作为新的世界制造战略基地的崛起,中国半导体厂的兴建经历了一股热潮。仅仅几年前,中国的半导体厂还距世界先进水平有着四、五代的巨大差距,而今,这差距已被迅速缩小至仅仅一、两代。2004年9月25日,中芯国际集成电路制造有限公司(SM IC)在北京举行隆重庆典,庆祝其第一座12英寸芯片厂成功投产进入正式营运阶段[5]。中国第一条12英寸芯片生产线的建成,标志着中国集成电路制造技术已经跨入300mm 时代,中国业已进入全球半导体制造强国的行列。仅中芯国际三地的总产能在2004 年底达到预定的月产12万5千片八等值晶圆。自2004 年的第三季开始,中芯国际已超过新加坡特许半导体成为全球第三大晶圆代工厂商,在行业内的排名仅次于台积电和联电。自2005年起,开始导入90 nm 制程,进入投产阶段。这意味着中芯国际在90nm技术上只落后台积电等领先代工企业9到12个月,表明中芯国际正在缩小与先进技术的差距。在此之前,中芯国际在130nm技术上落后台积电18个月。

在现阶段全球存储器产业竞争格局确立的情况下,中国存储器企业要想立足长远,从企业自身努力的角度,应首先从产品研发和市场应用做起,充分借用各种外部资源,努力扩大市场份额,塑造品牌优势。占有市场的主动权,结合国家战略,逐步建立IDM模式,包括发展新一代存储器,建设大规模生产基地就不会出现有产能没订单的局面。在立足国内市场的同时,要充分发挥本土企业的市场优势和技术支持优势。在产品和市场方向上应采取差异化策略,避免与韩美日大厂血拼,重点在国产高端计算机、嵌入式工业计算、消费电子、移动市场开拓应用,致力于为用户提供多样化的半导体存储器产品和解决方案。

参考书目:

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[2]曾莹/孙磊/伍冬.先进半导体存储器,北京:电子工业出版社,2005:17~25页.

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[7]杨德仁等.半导体科学与技术丛书,北京:科学出版社,2010.

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[9]Razavi B. Design of Mono lithic Phase2locked Loop sand Clock Recovery Circuits [M ].IEEE Press,Piscataway, NJ 1996.

[10]Cadence Design Systems.Virtuoso Parameterized Cell Reference Ver5.0,2004.

作者简介:

孟礼江苏大学2011级车辆工程在校本科生

致谢

为期一个学期的时间终于将这篇论文写完,在论文的写作过程中遇到了很多困难,其中参考了大量的图书文献及网络资源,在此对这些教材和资料的作者表示深深的感谢。同时,感谢半导体行业的先驱者,感谢你们为人类更好的生活所做的思考和实践,没有你们的辛勤研究,就没有人类社会的和谐与繁荣。

由于我的学术水平有限,本文难免有很多不足,恳请老师批评和指正!

半导体存储器分类介绍

半导体存储器分类介绍 § 1. 1 微纳电子技术的发展与现状 §1.1.1 微电子技术的发展与现状 上个世纪50年代晶体管的发明正式揭开了电子时代的序幕。此后为了提高电子元器件的性能,降低成本,微电子器件的特征尺寸不断缩小,加工精度不断提高。1962年,由金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)组装成的集成电路(IC)成为微电子技术发展的核心。 自从集成电路被发明以来[1,2],集成电路芯片的发展规律基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon Moore在1965年预言的摩尔定律[3]:半导体芯片的集成度以每18个月翻一番的速度增长。按照这一规律集成电路从最初的小规模、中规模到发展到后来的大规模、超大规模(VLSI),再到现在的甚大规模集成电路(ULSI)的发展阶段。 随着集成电路制造业的快速发展,新的工艺技术不断涌现,例如超微细线条光刻技术与多层布线技术等等,这些新的技术被迅速推广和应用,使器件的特征尺寸不断的减小。其特征尺寸从最初的0.5微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米、0.13 微米、90 纳米、65 纳米一直缩短到目前最新的32纳米,甚至是亚30纳米。器件特征尺寸的急剧缩小极大地提升了集成度,同时又使运算速度和可靠性大大提高,价格大幅下降。随着微电子技术的高速发展,人们还沉浸在胜利的喜悦之中的时候,新的挑战已经悄然到来。微电子器件等比例缩小的趋势还能维持多久?摩尔定律还能支配集成电路制造业多久?进入亚微米领域后,器件性能又会有哪些变化?这一系列的问题使人们不得不去认真思考。20世纪末

期,一门新兴的学科应运而生并很快得到应用,这就是纳电子技术。 §1.1.2 纳电子技术的应用与前景 2010年底,一篇报道英特尔和美光联合研发成果的文章《近距离接触25nm NAND闪存制造技术》[4],让人们清楚意识到经过近十年全球范围内的纳米科技热潮,纳电子技术已逐渐走向成熟。电子信息技术正从微电子向纳电子领域转变,纳电子技术必将取代微电子技术主导21世纪集成电路的发展。 目前,半导体集成电路的特征尺寸已进入纳米尺度范围,采用32纳米制造工艺的芯片早已问世,25纳米制造技术已正式发布,我们有理由相信相信亚20纳米时代马上就会到来。随着器件特征尺寸的减小,器件会出现哪些全新的物理效应呢? (1)量子限制效应。当器件在某一维或多维方向上的尺寸与电子的徳布罗意波长相比拟时,电子在这些维度上的运动将受限,导致电子能级发生分裂,电子能量量子化,出现短沟道效应、窄沟道效应以及表面迁移率降低等量子特性。 (2)量子隧穿效应。当势垒厚度与电子的徳布罗意波长想当时,电子便可以一定的几率穿透势垒到达另一侧。这种全新的现象已经被广泛应用于集成电路中,用于提供低阻接触。 (3)库仑阻塞效应。单电子隧穿进入电中性的库仑岛后,该库仑岛的静电势能增大e2/2C,如果这个能量远远大于该温度下电子的热动能K B T,就会出现所谓的库仑阻塞现象,即一个电子隧穿进入库仑岛后就会对下一个电子产生很强的排斥作用,阻挡其进入。 以上这些新的量子效应的出现使得器件设计时所要考虑的因素大大增加。目

√半导体存储器——分类、结构和性能

半导体存储器(解说) ——分类、结构和性能—— 作者:Xie M. X. (UESTC ,成都市) 计算机等许多系统中都离不开存储器。存储器就是能够存储数据、并且根据地址码还可以读出其中数据的一种器件。存储器有两大类:磁存储器和半导体存储器。 (1)半导体存储器的分类和基本结构: 半导体存储器是一种大规模集成电路,它的分类如图1所示。半导体存储器根据其在切断电源以后能否保存数据的特性,可区分为不挥发性存储器和易挥发性存储器两大类。磁存储器也都是不挥发性存储器。 半导体存储器也可根据其存储数据的方式不同,区分为随机存取存储器(RAM )和只读存储器(ROM )两大类。RAM 可以对任意一个存储单元、以任意的次序来存/取(即读出/写入)数据,并且存/取的时间都相等。ROM 则是在制造时即已经存储好了数据,一般不具备写入功能,只能读出数据(现在已经发展出了多种既可读出、又可写入的ROM )。 半导体存储器还可以根据其所采用工艺技术的不同,区分为MOS 存储器和双极型存储器两种。采用MOS 工艺制造的称为MOS 存储器;MOS 存储器具有密度高、功耗低、输入阻抗高和价格便宜等优点,用得最多。采用双极型工艺制造的,称为双极型存储器;双极型存储器的优点就是工作速度高。 半导体存储器的基本结构就是存储器阵列及其它电路。存储器阵列(memory array )是半导体存储器的主体,用以存储数据;其他就是输入端的地址码缓存器、行译码器、读出放大器、列译码器和输出缓冲器等组成。 各个存储单元处在字线(WL ,word line )与位线(BL ,bit line )的交点上。如果存储器有N 个地址码输入端,则该存储器就具有2N 比特的存储容量;若存储器阵列有2n 根字线,那么相应的就有2N n 条位线(相互交叉排列)。 在存储器读出其中的数据时,首先需通过地址码缓存器把地址码信号送入到行译码器、并进入到字线,再由行译码器选出一个WL ,然后把一个位线上得到的数据(微小信号)通过读出放大器进行放大,并由列译码器选出其中一个读出放大器,把放大了的信号通过多路输出缓冲器而输出。 在写入数据时,首先需要把数据送给由列译码器选出的位线,然后再存入到位线与字线相交的存储单元中。当然,对于不必写入数据的ROM (只读存储器)而言,就不需要写入电路。 图1 半导体存储器的分类

计算机组成原理试题

1.已知x和y,用变形补码计算x+y,同时指出结果是否溢出(每题6分,共18分) (1)x=11011,y=00011 (2)x=11011,y=-10101 (3)x=-10110,y=-00001 2.指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。(10分) 31 25 24 23 20 19 0 3.CPU执行一段程序时,CACHE完成存取的次数为5000次,主存完成存取的次数为200次。已知CACHE存取周期为40ns,主存存取周期为160ns。分别求CACHE的命中率H、平均访问时间Ta和CACHE-主存系统的访问效率e (12分) 4. 有一个16K×16位的存储器,由1K×4位的DRAM芯片构成(芯片是64×64结构)。问:(每题5分,共15分) (1)共需要多少RAM芯片? (2)采用异步刷新方式,如单元刷新间隔不超过2ms,则刷新信号周期是多少 (3)如采用集中刷新方式,存储器刷新一遍最少用多少读/写周期?死时间率是多少?5.用512K*16位的FLASH存储器芯片组成一个2M*32的半导体只读存储器,试问:(每题5分,共20分) (1)数据寄存器多少位? (2)地址寄存器多少位? (3)共需要多少个这样的器件? (4)画出此存储器的组成框图. 6.设有一个cache的容量为2K字,每块16个字,问:(每题5分,共25分) (1)cache中可容纳多少个块? (2)若主存的容量是256K字,主存可分多少块? (3)主存地址有多少位,cache的地址有多少位? (4)在直接映射方式中,主存中第135块映射到cache中哪一块? (5)进行地址映射时,主存地址分为几段,各段有多少位? 答案 2.操作码:定长操作码,可表示128条指令;操作数:双操作数,可构成RS或SS型指令,有直接、寄存器、寄存器间接寻址方式,访存范围1M,可表示16个寄存器。 3. H=Nc/(Nc+Nm)=5000/5200≈0.96 Ta=Tc+(1-H)×Tm=40ns+(1-0.96) ×160ns=46.4ns E=Tc/Ta=40ns/46.4ns×100%=86.2% 4.(1)存储器的总容量为16K×16位=256K位,所以用DRAM芯片为1K×4位=4K位 故芯片总数为:256K位/4K位= 64片 (2)采用异步刷方式,在2ms时间内分散地把芯片64行刷新一遍,故刷新信号的时间间隔为2ms/64 = 31.25μs,即可取刷新信号周期为30μs。 (3)如采用集中刷新方式,假定T为读/写周期,如16组同时进行刷新,则所需刷新时间为64T。设T单位为μs,2ms=2000μs,则死时间率=(64T/2000)×100%。 5.(1)32;(2)21;(3)4*2=8;(4)

第10章 半导体存储器汇总

第10章半导体存储器 10.1 学习要求 (1)理解只读存储器的基本工作原理。 (2)掌握用只读存储器进行逻辑设计的方法。 (3)了解随机存取存储器的基本工作原理。 (4)了解扩展存储器容量的方法。 10.2 学习指导 本章重点: (1)只读存储器的工作原理。 (2)利用只读存储器进行逻辑设计。 本章难点: (1)只读存储器的工作原理。 (2)利用只读存储器进行逻辑设计。 本章考点: (1)利用只读存储器实现各种组合逻辑函数。 (2)利用只读存储器实现给定功能的逻辑电路。 (3)与、或阵列图的意义和用法。 10.2.1 只读存储器(ROM) 1.ROM的结构 ROM由地址译码器、存储矩阵和读出电路组成,如图10.1所示。ROM的特点是存入的内容固定不变,工作时只能读出(取出),不能存入(写入),且在断电后存入的信息仍能保持,常用于存放固定的信息。 存储矩阵是存储器的主体,由大量的存储单元组成。一个存储单元只能存储1位二进制数码1或0。通常数据和指令用M位的二进制数表示,称为一个字,M为字长。M个存储单元为一组,存储一个字,称为字单元。每个字单元有一个地址,按地

电子技术学习指导与习题解答 246 址来选择所需要的字。图10.1中W 0、W 1、…、1N -W 称为字单元的地址选择线,简称字线;D 0、D 1、…、1M -D 称为输出信息的数据线,简称位线。存储矩阵有N 条字线和M 条位线,M N ?表示存储器的存储容量,这是存储器的主要技术指标之一。 地址译码器的作用是根据输入的地址代码011n A A A -,从N (n N 2=)条字线中选择一条字线,以确定与地址代码相对应的字单元的位置。至于选择哪—条字线,则决定于输入的是哪一个地址代码。任何时刻,只能有一条字线被选中。被选中的那条字线所对应的字单元中的各位数码便经M 条位线传送到数据输出端。 A 0A 1 A 0 地 址输入 数据输出 … 图10.1 ROM 的结构示意图 2.ROM 的工作原理 如图10.2所示是一个由二极管构成的容量为44?的ROM 。 A 0 地址输入 地址译码器 存储矩阵 A 1 图10.2 二极管ROM 电路

第10章 存储器 作业

第10章 半导体存储器及可编程逻辑器件 作业 10.4 画出把 256 ? 2 RAM 扩展成 512 ? 4 RAM 的连接图,并说明各片RAM 的地址范围。 解: 5124 4 (256 2 RAM)2562 ?=??片 扩展电路图图下: 地址范围: 87654321A A A A A A A A A (1)(2)0 0 0 0 0 0 0 0 0 ~0 1 1 1 1 1 1 1 1 000H ~0FFH (3)(4)1 0 0 0 0 0 0 0 0 ~1 1 1 1 1 1 1 1 1 100H ~1FFH 或者: 地址范围:RAM (1)和RAM (2)000H ~0FFH, RAM (3)和 RAM (4)100H ~1FFH, 10.5 RAM2112(256×4)组成如题图10.5所示电路。 (1)按图示接法,写出2112(1)至2112(4)的地址范围(用十六进制表示)。 (2)按图示接法,内存单元的容量是多少?若要实现2k×8的内存,需要多少片2112芯片? (3)若要将RAM 的寻址范围改为B00H~BFFH 和C00H~CFFH ,电路应做何改动? A 0 A 0 A 0 A 0 A 7 A 7 A 7 A 7 /R W D 0 D 1 A 8

题图10.5 解: (1) RAM2112(1)和RAM2112(2):900H~9FFH RAM2112(3)和RAM2112(4):E00H~EFFH (2) 内存容量:512×8 若实现2K×8需要28 2564K ??=16片 (3) 电路改为: 13Y Y →;64Y Y → 10.8 试确定如题图10.8所示各电路中RAM 芯片的寻址范围。 (a) (b) (c) 题图10.8 74LS138 A 8 A 9 A 10 A 11A 15 A 14 A 13 A A A 接2114(1)、 2114(2) CS 端 接2114(3)、 2114(4) CS 端 74138 A 8A 9A A A A A 接6116(1) CS 端 接6116(2) CS 端 74138

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。

半导体材料课程教学大纲

半导体材料课程教学大纲 一、课程说明 (一)课程名称:半导体材料 所属专业:微电子科学与工程 课程性质:专业限选 学分: 3 (二)课程简介:本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性,介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。 目标与任务:使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法,了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。 (三)先修课程要求:《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》; 本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。 (四)教材:杨树人《半导体材料》 主要参考书:褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》 陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》 二、课程内容与安排 第一章半导体材料概述 第一节半导体材料发展历程 第二节半导体材料分类 第三节半导体材料制备方法综述 第二章硅和锗的制备 第一节硅和锗的物理化学性质 第二节高纯硅的制备 第三节锗的富集与提纯

第三章区熔提纯 第一节分凝现象与分凝系数 第二节区熔原理 第三节锗的区熔提纯 第四章晶体生长 第一节晶体生长理论基础 第二节熔体的晶体生长 第三节硅、锗单晶生长 第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷 第一节硅、锗晶体中杂质的性质 第二节硅、锗晶体的掺杂 第三节硅、锗单晶的位错 第四节硅单晶中的微缺陷 第六章硅外延生长 第一节硅的气相外延生长 第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制 第三节硅的异质外延 第七章化合物半导体的外延生长 第一节气相外延生长(VPE) 第二节金属有机物化学气相外延生长(MOCVD) 第三节分子束外延生长(MBE) 第四节其他外延生长技术 第八章化合物半导体材料(一):第二代半导体材料 第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用 第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂 第四节 InP、GaP等的制备及应用 第九章化合物半导体材料(二):第三代半导体材料 第一节氮化物半导体材料特性及应用 第二节氮化物半导体材料的外延生长 第三节碳化硅材料的特性及应用 第十章其他半导体材料

计算机组成原理题库

综合题 1. 设存储器容量为32字,分为M0-M3四个模块,每个模块存储8个字,地址分配方案分别如下图中图(a)和图(b)所示。 (1)(a)和(b)分别采用什么方式进行存储器地址编址? (2)设存储周期T=200ns,数据总线宽度为64位,总线传送周期τ=50ns。问(a)和(b)两种方式下所对应的存储器带宽分别是多少(以Mb/s为单位)? 2.假设某机器有80条指令,平均每条指令由4条微指令组成,其中有一条取指微指令是所有指令公用的,已知微指令长度为32位,请估算控制存储器的容量是多少字节? 3. (1)用16K×8位的SRAM芯片形成一个32K×16位的RAM区域,共需SRAM芯片多少片? (2)设CPU地址总线为A15~A0,数据总线为D15~D0,控制信号为R/W(读/写)、MREQ(允许访存)。SRAM芯片的控制信号有CS和WE。要求这32K×16位RAM 区域的起始地址为8000H,请画出RAM与CPU的连接逻辑框图。

*4 CPU执行一段程序时,Cache完成存取的次数为3800次,主存完成存取的次数为200次,已知Cache存取周期为50ns,主存为250ns, 求(1)Cache命中率。(2)平均访问时间(3)Cache/主存系统的效率。 5.已知某机采用微程序控制方式,其控制存储器容量为512*48(位)。微程序可在整个存储器中实现转移,可控制微程序转移的条件共4个,微指令采用水平型格式,后继微指令地址采用断定方式,如下图所示。 (1)微指令中的三个字段分别应为多少位? (2)画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。 6.用2M×8位的SRAM芯片,设计4M×16位的SRAM存储器,试画出存储器芯片连接图。 *7.某计算机系统的内存储器由cache和主存构成,cache的存储周期为30ns,主存的存取周期为150ns。已知在一段给定的时间内,CPU共访问内存5000次,其中400次访问主存。问: ① cache的命中率是多少? ② CPU访问内存的平均时间是多少纳秒?

半导体材料的分类及应用

半导体材料的分类及应用

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半导体材料的分类及应用 能源、材料与信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。材料方面, 电子材料的进展尤其引人注目。以大规模和超大规模集成电路为核心的电脑的问世极大地推动了现代科学技术各个方面的发展,一个又一个划时代意义的半导体生产新工艺、新材料和新仪器不断涌现, 并迅速变成生产力和生产工具,极大地推动了集成电路工业的高速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成电路和微处理器,无论是在集成度和稳定可靠性的提高方面, 还是在生产成本不断降低方面都上了一个又一个新台阶,有力地促进了人类在生物工程、航空航天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的全面发展, 也大大地方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平, 是衡量一个国家的经济实力和科技进步的主要标志之一, 然而半导体材料又是集成电路发展的一个重要基石。“半体体材料”作为电子材料的代表,在生产实践的客观需求刺激下, 科技工作者已经发现了数以千计的具有半导体特性的材料, 并正在卓有成效在研究、开发和利用各种具有特殊性能的材料。 1 元素半导体 周期表中有12 种具有半导体性质的元素( 见下表) 。但其中S、P、As、Sb 和I 不稳定,易发挥; 灰Sn在室温下转变为白Sn, 已金属;B、C的熔点太高, 不易制成单晶; T e 十分稀缺。这样只剩下Se、Ge 和Si 可供实用。半导体技术的早期( 50 年代以前) 。

计算机组成原理期末复习知识要点

第一章 1)冯.诺依曼主要三个思想是什么? (1)计算机处理采用二进制或二进制代码 (2)存储程序 (3)硬件五大部分:输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器 2)计算机硬件由哪5部分组成? 输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器 3)VLSI中文的意思是什么? 超大规模集成电路 4)列举出三个计算机应用领域? 1.科学技术计算2.数据信息处理3.计算机控制 4.计算机辅助技术5.家庭电脑化 5)计算机系统分哪两大系统? 硬件和软件系统 6)计算机内部信息包括哪两大信息? 计算机中有两种信息流动:一是控制信息,即操作命令,其发源地为控制器;另一种是数据流,它受控制信息的控制,从一部件流向另一部件,边流动边加工处理。 7)计算机性能主要包括哪三个主要性能? (1)基本字长: 是参与运算的数的基本长度,用二进制数位的长短来衡量,取决寄存器、加法器、数据总线等部件的位数。 (2)主存容量:可以用字节,有的用字长,K、M、G、T (3)运算速度: 是每秒能执行的指令条数来表示,单位是条/秒。(MIPS) 8)现代计算机系统分为五个层次级别是如何划分的? 从功能上,可把现代计算机系统分为五个层次级别: 第一级是微程序设计级:是硬件级 第二级是一般机器级:机器语言级 第三级是操作系统级:是操作系统程序实现。(混合级) 第四级是汇编语言级:一种符号形式语言。 第五级是高级语言级 9)机器数是指什么?它主要是解决了数值的什么表示? 10)机器数有哪4种表示方法? 原码表示法、补码表示法、和移码表示法四种。 11)计算机数值有哪两种表示方式?它主要解决了数值的什么表示? 定点表示和浮点表示。主要解决数中小数点的位置的确定。 12)浮点数在计算机内部表示两种方式是如何安排的? 13)尾数是补码表示其规格化如何表示? 正数:0.1×…×的形式负数:1.0×…×的形式 14)解释计算机内部数值0和字符0有何不同? 数值0在计算机中为00H,而字符0为其ASCII码30H。 15)计算机如何判断加法溢出的? 当运算结果超出机器所能表示的数域范围时,称为溢出。 判别方法有:符号位判别法、进位判别法、双符号位判别法。 16)半加器与全加器有什么不同?

半导体材料的分类及应用

半导体材料的分类及应用 能源、材料与信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。材料方面, 电子材料的进展尤其引人注目。以大规模和超大规模集成电路为核心的电脑的问世极大地推动了现代科学技术各个方面的发展,一个又一个划时代意义的半导体生产新工艺、新材料和新仪器不断涌现, 并迅速变成生产力和生产工具, 极大地推动了集成电路工业的高速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成电路和微处理器, 无论是在集成度和稳定可靠性的提高方面, 还是在生产成本不断降低方面都上了一个又一个新台阶,有力地促进了人类在生物工程、航空航天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的全面发展, 也大大地方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平, 是衡量一个国家的经济实力和科技进步的主要标志之一, 然而半导体材料又是集成电路发展的一个重要基石。“半体体材料”作为电子材料的代表, 在生产实践的客观需求刺激下, 科技工作者已经发现了数以千计的具有半导体特性的材料, 并正在卓有成效在研究、开发和利用各种具有特殊性能的材料。 1 元素半导体 周期表中有12 种具有半导体性质的元素( 见下表) 。但其中S、P、As、Sb 和I 不稳定, 易发挥; 灰Sn 在室温下转变为白Sn, 已金属; B、C 的熔点太高, 不易制成单晶; T e 十分稀缺。这样只剩下Se、Ge 和Si 可供实用。半导体技术的早期( 50 年代以前) 。 表1 具有半导体性质的元素

周期ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA B C S i P S Ge As S e S n Sb Te I Se 曾广泛地用作光电池和整流器, 晶体管发明后,Ge 迅速地兴起, 但很快又被性能更好的Si 所取代。现在Se 在非晶半导体器件领域还保留一席之地, Ge 在若干种分立元件( 低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器等) 中还被应用, 而Si 则一直是半导体工作的主导材料, 这种情况预计到下个世纪初也不会改变。Si 能成为主角的原因是: 含量极其丰富( 占地壳的27%) , 提纯与结晶方便; 禁带宽度1. 12eV, 比Ge 的0. 66eV 大, 因而Si 器件工作温度高; 更重要的是SiO2 膜的纯化和掩蔽作用, 纯化作用使器件的稳定性与可靠性大为提高,掩蔽作用使器件的制和实现了平面工艺, 从而实现了大规模自动化的工业生产和集成化, 使半导体分立器件和集成电路以其低廉的价格和卓越的性能迅速取代了电子管, 微电子学取代了真空电子学, 微电子工程成为当代产业中的一支生力军。据报导, 1995 年世界半导体器件销售额为1464 亿美元, 硅片销费量约为30. 0 亿平方英寸, 1996 年市场规模为1851 亿美元, 增长了26. 4%, 消费硅片则达33. 46 亿平方英寸。 硅材料分为多晶硅, 单晶硅和非晶硅。单晶硅分为直拉单晶硅( CZ) 、区熔单晶硅( FZ) 和外延单晶硅片( EPI) 。其中, CZ 单晶

《计算机组成原理》总结完整版

《计算机组成原理》学科复习总结 ★第一章计算机系统概论 ?本章内容:本章主要讲述计算机系统的组成、计算机系统的分层结构、以及计算机的一些主要指标等 ?需要掌握的内容:计算机软硬件的概念,计算机系统的层次结构、体系结构和计算机组成的概念、冯.诺依曼的主要思想及其特点、计算机的主要指标 ?本章主要考点:概念 1、当前的CPU由那几部分组成组成? 控制器、运算器、寄存器、cache (高速缓冲存储器) 2、一个完整的计算机系统应包括那些部分? 配套的硬件设备和软件系统 3、什么是计算机硬件、计算机软件?各由哪几部分组成?它们之间有何联系? 计算机硬件是指计算机的实体部分,它由看得见摸得着的各种电子元器件,各类光、电、机设备的实物组成。主要包括运算器(ALU)、控制器(CU)、存储器、输入设备和输出设备五大组成部分。软件是计算机程序及其相关文档的总称,主要包括系统软件、应用软件和一些工具软件。软件是对硬件功能的完善与扩充,一部分软件又是以另一部分软件为基础的再扩充。 4、冯·诺依曼计算机的特点 ●计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成 ●指令和数据以同等地位存于存储器内,可按地址寻访 ●指令和数据用二进制表示 ●指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储 器中的位置 ●指令在存储器内按顺序存放 ●机器以运算器为中心,输入输出设备和存储器间的数据传送通过运算器完成 5、计算机硬件的主要技术指标 ●机器字长:CPU 一次能处理数据的位数,通常与CPU 中的寄存器位数有关 ●存储容量:存储容量= 存储单元个数×存储字长;MAR(存储器地址寄存器)的位数 反映存储单元的个数,MDR(存储器数据寄存器)反映存储字长 主频 吉普森法 ●运算速度MIPS 每秒执行百万条指令 CPI 执行一条指令所需的时钟周期数 FLOPS 每秒浮点运算次数 ◎第二章计算机的发展及应用 ?本章内容:本章主要讲述计算机系统、微型计算机系统的发展过程以及应用。 ?需要掌握的内容:计算机的发展的不同阶段区分的方法、微型计算机发展中的区分、摩尔定律 ?本章主要考点:概念 1、解释摩尔定律

半导体存储器件及其操作方法与相关技术

图片简介: 一种半导体存储器件,包括:熔丝部分,包括:第一熔丝组,具有针对第一模式分配的多个第一熔丝;以及第二熔丝组,具有针对第二模式分配的多个第二熔丝;以及编程部分,适于在所述第二模式下响应于修复控制信号而编程包括在所述第一熔丝组中的所述第一熔丝之中的可用熔丝或编程包括在所述第二熔丝组中的所述第二熔丝。 技术要求 1.一种半导体存储器件,包括: 熔丝部分,包括:第一熔丝组,具有针对第一模式分配的多个第一熔丝;以及第二熔丝组,具有针对第二模式分配的多个第二熔丝;以及 编程部分,适于在所述第二模式下响应于修复控制信号而编程包括在所述第一熔丝组中 的所述第一熔丝之中的可用熔丝或编程包括在所述第二熔丝组中的所述第二熔丝。 2.如权利要求1所述的半导体存储器件,其中,所述编程部分包括:

第一熔丝信息储存块,适于:储存对应于所述第一熔丝组的第一熔丝信息,且通过确定所述第一熔丝组是否具有所述第一熔丝之中的未使用的熔丝来产生过流信号; 第二熔丝信息储存块,适于储存对应于所述第二熔丝组的第二熔丝信息;以及 选择输出块,适于在所述第二模式下响应于所述过流信号而输出所述第一熔丝信息或所述第二熔丝信息。 3.如权利要求2所述的半导体存储器件,其中,所述编程部分还包括: 启动控制块,适于:在启动操作中确定所述第一熔丝组和所述第二熔丝组是否被使用且更新所述第一熔丝信息和所述第二熔丝信息。 4.如权利要求2所述的半导体存储器件,其中,所述编程部分还包括: 地址锁存块,适于锁存从外部器件接收的缺陷地址信息。 5.如权利要求2所述的半导体存储器件,其中,所述编程部分还包括: 断裂控制块,适于使与自所述选择输出块输出的所述第一熔丝信息或所述第二熔丝信息相对应的熔丝断裂。 6.如权利要求2所述的半导体存储器件,其中,所述第一熔丝信息储存块输出当所述第一熔丝组具有所述可用熔丝时被禁用且当所述第一熔丝组无可用熔丝时被使能的所述过流信号。 7.如权利要求2所述的半导体存储器件,其中,所述选择输出块包括: 选择控制信号发生单元,适于:接收在所述第二模式下被使能的封装后修复PPR模式使能信号、扩展模式信号和所述过流信号,且产生选择控制信号;以及 选择单元,适于响应于所述选择控制信号而选择性地输出所述第一熔丝信息或所述第二熔丝信息。 8.一种半导体存储器件,包括:

计算机组成原理第四章课后习题及答案_唐朔飞

第4章存储器 1. 解释概念:主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。 答:主存:主存储器,用于存放正在执行的程序和数据。CPU可以直接进行随机读写,访问速度较高。 辅存:辅助存储器,用于存放当前暂不执行的程序和数据,以及一些需要永久保存的信息。 Cache:高速缓冲存储器,介于CPU和主存之间,用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。 RAM:半导体随机存取存储器,主要用作计算机中的主存。 SRAM:静态半导体随机存取存储器。 DRAM:动态半导体随机存取存储器。 ROM:掩膜式半导体只读存储器。由芯片制造商在制造时写入内容,以后只能读出而不能写入。 PROM:可编程只读存储器,由用户根据需要确定写入内容,只能写入一次。 EPROM:紫外线擦写可编程只读存储器。需要修改内容时,现将其全部内容擦除,然后再编程。擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。 EEPROM:电擦写可编程只读存储器。 CDROM:只读型光盘。 Flash Memory:闪速存储器。或称快擦型存储器。 2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息?按速度、容量和价格/位排序说明。 答:计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。 按速度由高至低排序为:寄存器、Cache、主存、硬盘; 按容量由小至大排序为:寄存器、Cache、主存、硬盘;

按价格/位由高至低排序为:寄存器、Cache、主存、硬盘。 3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方?为什么要分这些层次?计算机如何管理这些层次? 答:存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。 Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用,即从整体运行的效果分析,CPU访存速度加快,接近于Cache的速度,而寻址空间和位价却接近于主存。 主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用,即从程序员的角度看,他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存,而速度接近于主存。 综合上述两个存储层次的作用,从整个存储系统来看,就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。 主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现,即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器,程序员可使用这个比主存实际空间(物理地址空间)大得多的虚拟地址空间(逻辑地址空间)编程,当程序运行时,再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此,这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。 4. 说明存取周期和存取时间的区别。 解:存取周期和存取时间的主要区别是:存取时间仅为完成一次操作的时间,而存取周期不仅包含操作时间,还包含操作后线路的恢复时间。即: 存取周期 = 存取时间 + 恢复时间 5. 什么是存储器的带宽?若存储器的数据总线宽度为32位,存取周期为200ns,则存储器的带宽是多少? 解:存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。 存储器带宽= 1/200ns ×32位 = 160M位/秒 = 20MB/秒 = 5M字/秒 注意:字长32位,不是16位。(注:1ns=10-9s)

计算机组成原理第四章课后习题及标准答案-唐朔飞(完整版)

第4章存储器 1.解释概念:主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。 答:主存:主存储器,用于存放正在执行的程序和数据。CPU可以直接进行随机读写,访问速度较高。 辅存:辅助存储器,用于存放当前暂不执行的程序和数据,以及一些需要永久保存的信息。 Cache:高速缓冲存储器,介于CPU和主存之间,用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。 RAM:半导体随机存取存储器,主要用作计算机中的主存。 SRAM:静态半导体随机存取存储器。 DRAM:动态半导体随机存取存储器。 ROM:掩膜式半导体只读存储器。由芯片制造商在制造时写入内容,以后只能读出而不能写入。 PROM:可编程只读存储器,由用户根据需要确定写入内容,只能写入一次。 EPROM:紫外线擦写可编程只读存储器。需要修改内容时,现将其全部内容擦除,然后再编程。擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。 EEPROM:电擦写可编程只读存储器。 CDROM:只读型光盘。 Flash Memory:闪速存储器。或称快擦型存储器。 2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息?按速度、容量和价格/位排序说明。 答:计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。 按速度由高至低排序为:寄存器、Cache、主存、硬盘; 按容量由小至大排序为:寄存器、Cache、主存、硬盘;

按价格/位由高至低排序为:寄存器、Cache、主存、硬盘。 3.存储器的层次结构主要体现在什么地方?为什么要分这些层次?计算机如何管理这些层次? 答:存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。 Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用,即从整体运行的效果分析,CPU访存速度加快,接近于Cache的速度,而寻址空间和位价却接近于主存。 主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用,即从程序员的角度看,他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存,而速度接近于主存。 综合上述两个存储层次的作用,从整个存储系统来看,就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。 主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现,即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器,程序员可使用这个比主存实际空间(物理地址空间)大得多的虚拟地址空间(逻辑地址空间)编程,当程序运行时,再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此,这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。 4.说明存取周期和存取时间的区别。 解:存取周期和存取时间的主要区别是:存取时间仅为完成一次操作的时间,而存取周期不仅包含操作时间,还包含操作后线路的恢复时间。即: 存取周期 = 存取时间 + 恢复时间 5. 什么是存储器的带宽?若存储器的数据总线宽度为32位,存取周期为 200ns,则存储器的带宽是多少? 解:存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。 存储器带宽 = 1/200ns ×32位 = 160M位/秒 = 20MB/秒=5M字/秒注意:字长32位,不是16位。(注:1ns=10-9s)

存储器的发展与技术现状.

存储器的发展史及技术现状 20122352 蔡文杰计科3班 1.存储器发展历史 1.1存储器简介 存储器(Memory)是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。 1.2存储器的传统分类 从使用角度看,半导体存储器可以分成两大类:断电后数据会丢失的易失性存储器和断电后数据不会丢失的非易失性存储器。过去都可以随机读写信息的易失性存储器称为RAM(Randoo Aeeess Memory),根据工作原理和条件不同,RAM又有静态和动态之分,分别称为静态读写存储器SR AM(St ate RAM)和动态读写存储器DRAM(Dynamie RAM);而过去的非易失控存储器都是只读存储RoM(Readon一y Memo-ry),这种存储器只能脱机写人信息,在使用中只能读出信息而不能写人或改变信息.非易失性存储器包含各种不同原理、技术和结构的存储器.传统的非易失性存储器根据写人方法和可写人的次数的不同,又可分成掩模只读存储器MROM(Mask ROM)、一次性编程的OTPROM(one Time Programmable ROM)和可用萦外线擦除可多次编程的Uv EPROM(Utravio-let ErasableProgrammable ROM).过去的OT PROM都是采用双极性熔丝式,这种芯片只能被编程一次,因此在测试阶段不能对产品进行编程性检侧,所以产品交付用户后,经常在编程时才会发现其缺陷而失效,有的芯片虽然能被编程,但由于其交流性不能满足要求,却不能正常运行.故双极性熔丝式PROM产品的可信度不高. 2.半导体存储器 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。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 ROM是线路最简单的半导体电路,通过掩模工艺,一次性制造,在元件正常工作的情况下,其中的代码与数据将永久保存,并且不能够进行修改。一般地,只读

科技常识试题

For personal use only in study and research; not for commercial use 科技常识试题 1、光彩夺目的金刚石的化学成分与下列哪个一样? A.铅 B.石墨 C.玻璃 D.琥珀 2.太阳风暴是指太阳因能量增加而向空间释放出大量高速运行的(),它们可能对短波 无线电信号的传播造成严重的影响。 A.带电粒子流 B.热气流 C.电磁场 D.陨石 3.当连续的图像变化超过每秒()帧画面的时候,人眼便无法分辨每幅单独的静态画面, 因而看上去是平滑连续的视觉效果。 A.12 B.24 C.360 D.1024 4.下列属于应用软件的是: A.WindowsXP B.Dos C.OICQ D.Linux 5.20 世纪的四项重大发明是指激光器、计算机、原子能和() A.基因工程B.纳米材料C.半导体D.宇宙飞船 6.用中子轰击铀核时出现原子核的裂变,并放出新的()的现象,称核裂变反应。 A.质子B.轻子C.中子D.原子 7.多数鱼类背部发黑、腹部发白,其原因是()。 A.长期进化形成的保护色B.背部比腹部接受光线多,导致色素沉淀 C.背部比腹部黏膜厚,吸收光线多D.背部鱼鳞多,吸收光线多 8.下列电池中不能充电的是()。 A.镍镉电池B.银锌电池 C.普通干电池D.铅蓄电池 9.具有多媒体功能的微型计算机系统中,常用的CD-ROM是( )。 A.只读型光盘B.半导体只读存储器 C.只读型硬盘D.只读型大容量软盘 10.人向竖直的平面镜走近时,镜中所成的像( )。 A.缩小B.变大C.大小不变D.先小后大 11.一般灭火器的灭火原理是( )。 A.降低温度B.隔绝氧气C.增加湿度D.制造泡沫 12.人体最大的解毒器官是: A.肾脏B.肝脏 C.脾脏D.胃肠 13.夏天来临时,人们往往选择色彩比较浅淡的衣服,例如月白色,黄色等等,人们这样选 择最可能的原因是:

(完整版)半导体材料及特性

地球的矿藏多半是化合物,所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波,氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器,闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料,碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体,曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗(Ge)放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页,从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%~99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体硅(Si)以后,不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高,而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料可按化学组成来分,再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体:在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素,下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性;Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解,所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属,半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体: 四元系等。二元系包括:①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成,典型的代表 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物,是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ族:Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的 化合物,其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。 半导体材料 ⑤Ⅴ-Ⅵ族:Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族

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