半导体只读存储器ROM
半导体存储器工作原理和最新技术
半导体存储器工作原理和最新技术随着现代社会的快速发展，信息技术技术的发展也日新月异。
作为信息技术中不可或缺的部分，存储器技术一直在不断地更新发展。
其中，半导体存储器作为一种重要的存储器类型，其工作原理和最新技术备受人们关注。
一、半导体存储器工作原理半导体存储器是一种将位于半导体芯片上的电荷量代表数据的存储器。
半导体存储器主要分为两大类：随机访问存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
1.1 随机访问存储器(RAM)RAM分为动态随机访问存储器(DRAM)和静态随机访问存储器(SRAM)两种。
DRAM的存储单元为电容器，单元大小为1位。
SRAM的存储单元为双稳态触发器，单元大小为1至4位。
DRAM的电容器存储单元会因电容器内部漏载而持续降低，因此需要周期性地重新刷新。
此外，DRAM单元还需要进行复杂的读写时间控制。
SRAM则不需要刷新电容器和时间控制，但存储单元占用面积较大，并需要额外的电源驱动。
1.2 只读存储器(ROM)ROM是一种只可读取而不能修改的存储器。
ROM中存储单元的电荷量是由制成时设置的金属焊点决定，即“掩膜”制造技术，这种存储器能够非常方便地实现电路的控制功能。
二、半导体存储器最新技术半导体存储器技术也在不断更新发展中。
这里将介绍三种最新的半导体存储器技术。
2.1 革命性大规模存储器技术革命性大规模存储器技术是一种新的存储器类型，它能够实现超过TB级别的数据存储。
这种存储器采用叠层非易失存储器和InP HEMT收发器，能够实现一次读取数百Gbits的数据，传输速度极快。
2.2 基于电容器的晶体管门极控制技术基于电容器的晶体管门极控制技术是实现高密度存储的一种方法。
目前的主流半导体存储器采用平面电容器单元，但其占用面积较大。
所以，一种新的基于电容器的晶体管门极控制技术被提出。
这种新技术利用了电容器单元与相邻晶体管的栅极之间的短距离联系，降低了存储单元面积，同时提升了数据存取速度。
2.3 基于氧化硅和二氧化硅的存储器技术基于氧化硅和二氧化硅的存储器技术被广泛应用于普通高密度存储器。
第七章 半导体存储器
三、知识点
1、重点掌握的知识点 （1）各种ROM的电路结构和工作原理； （2）SRAM的的电路结构和工作原理；
（3）存储器容量的扩展方法；
（4）用存储器实现组合逻辑函数的方法。 2、一般掌握的知识点
（1）各种ROM存储单元的特点； （2）SRAM的静态存储单元。
7.1 概述
半导体存储器是一种能存储大量二值信息的半导 体器件。 一、半导体存储器的一般结构形式 存储单元数目庞大，输入/输出引脚数目有限。
译成某一条字线有效，从存储矩阵中选中一行存储单元；
列地址译码器将输入地址代码的其余若干位(Ai+1~An-1)译 成某一根输出线有效，从字线选中的一行存储单元中再 选一位(或n位)，使这些被选中的单元与读/写电路和 I/O(输入/输出端)接通，以便对这些单元进行读/写操作。
读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控 制。CS′称为片选信号，当CS′=0时，RAM工作， CS′=1时，所有I/O端均为高阻状态，不能对RAM 进行读/写操作。
11A7 ~ A0 768 ~ 1023
256 ~ 511
7.5 用存储器实现组合逻辑函数
ROM广泛应用于计算机、电子仪器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电子测量设备和数
控电路，其具体应用有专门的教材进行论述，这里仅介绍用
ROM在数字逻辑电路中的应用。 分析ROM的工作原理可知，ROM中的地址译码器可产
生地址变量的全部最小项，能够实现地址变量的与运算，即
A0~An-1
D0
W0
W2n-1
Dm
地
A1
址
A0 D3
数
D2
据
D1 D0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 0 1
内存、RAM、ROM介绍
RAM(随机存储器)，ROM(只读存储器)，内存还有硬盘到底有什么区别呢？内存在电脑中起着举足轻重的作用。
内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器（RAM），只读存储器（ROM），以及高速缓存（CACHE）。
只不过因为RAM是其中最重要的存储器。
通常所说的内存即指电脑系统中的RAM。
RAM要求每时每刻都不断地供电，否则数据会丢失。
如果在关闭电源以后RAM中的数据也不丢失就好了，这样就可以在每一次开机时都保证电脑处于上一次关机的状态，而不必每次都重新启动电脑，重新打开应用程序了。
但是RAM要求不断的电源供应，那有没有办法解决这个问题呢?随着技术的进步，人们想到了一个办法，即给RAM供应少量的电源保持RAM的数据不丢失，这就是电脑的休眠功能，特别在Win2000里这个功能得到了很好的应用，休眠时电源处于连接状态，但是耗费少量的电能。
按内存条的接口形式，常见内存条有两种：单列直插内存条（SIMM），和双列直插内存条（DIMM）。
SIMM内存条分为30线，72线两种。
DIMM内存条与SIMM内存条相比引脚增加到168线。
DIMM可单条使用，不同容量可混合使用，SIMM必须成对使用。
按内存的工作方式，内存又有FPA EDO DRAM和SDRAM（同步动态RAM）等形式。
FPA（FAST PAGE MODE）RAM 快速页面模式随机存取存储器：这是较早的电脑系统普通使用的内存，它每个三个时钟脉冲周期传送一次数据。
EDO（EXTENDED DATA OUT）RAM 扩展数据输出随机存取存储器：EDO内存取消了主板与内存两个存储周期之间的时间间隔，他每个两个时钟脉冲周期输出一次数据，大大地缩短了存取时间，是存储速度提高30%。
EDO一般是72脚，EDO内存已经被SDRAM所取代。
S（SYSNECRONOUS）DRAM 同步动态随机存取存储器：SDRAM为168脚，这是目前PENTIUM及以上机型使用的内存。
SDRAM将CPU与RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使CPU和RAM能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，每一个时钟脉冲的上升沿便开始传递数据，速度比EDO内存提高50%。
rom的名词解释
rom的名词解释ROM（Read-Only Memory）是指只读存储器，也称为只读存储器。
在计算机领域，ROM是一种非易失性存储器，用于存储固定的、不可更改的数据和程序指令。
与RAM（Random Access Memory）相比，ROM中的数据是永久性的，它不会因为断电或重新启动而丢失。
ROM的出现使得计算机能够在开机时加载启动程序和基本输入输出系统（BIOS），从而使系统正常启动。
一、ROM的基本原理ROM是一种硬件设备，它由许多可靠的、经过特殊处理的半导体材料制成。
与RAM不同，ROM的数据无法通过电子信号的动态变化来存储和访问。
ROM的数据在制造时就被固化进去，而且无法被改变。
这种特性使得ROM具有很高的稳定性和可靠性，适合储存那些不需要随时修改的数据。
二、不同类型的ROM1. Masked ROM：掩蔽式ROM是最早期的ROM类型之一。
在生产过程中，ROM芯片通过将金属层沉积在硅晶圆上来制造。
金属层决定了数据和指令的存储方式。
然后再将晶圆切割成不同的ROM芯片。
这种ROM芯片的数据无法更改。
2. Programmable ROM（PROM）：可编程只读存储器是一种允许用户在使用特定设备之前存储数据的存储器类型。
用户可以使用特殊的编程设备（如PROM 编程器）将所需的数据编程到PROM芯片中。
一旦编程完成，数据就无法修改。
PROM具有低制造成本和较快的编程速度。
3. Erasable Programmable ROM（EPROM）：可擦写可编程只读存储器是一种允许用户擦除和重新编程数据的存储器。
EPROM芯片在制造过程中使用了一层特殊的二氧化硅窗口。
当用户需要擦除数据时，可以使用紫外线照射EPROM芯片来清除所有数据，并使用编程设备重新编程所需的数据。
4. Electrically Erasable Programmable ROM（EEPROM）：电可擦写可编程只读存储器是一种在电子设备中广泛使用的存储器类型。
ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM分别指什么？
ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM分别指什么？ROM指的是“只读存储器”，即Read-Only Memory。
这是一种线路最简单半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，其中的代码与数据将永久保存(除非坏掉)，不能进行修改。
这玩意一般在大批量生产时才会被用的，优点是成本低、非常低，但是其风险比较大，在产品设计时，如果调试不彻底，很容易造成几千片的费片，行内话叫“掩砸了”！PROM指的是“可编程只读存储器”既Programmable Red-Only Memory。
这样的产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”(One Time Progarmming ROM，OTP-ROM)。
PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0(部分的PROM在出厂时数据全为0，则用户可以将其中的部分单元写入1)，以实现对其“编程”的目的。
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。
EPROM指的是“可擦写可编程只读存储器”，即Erasable Programmable Read-Only Memory。
它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。
这一类芯片特别容易识别，其封装中包含有“石英玻璃窗”，一个编程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干胶纸盖住，以防止遭到阳光直射。
EEPROM指的是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。
只读存储器ROM
图
6.13是熔丝型PROM的一个存储元示意图。
VCC
6.13 PROM
(2) 待机(备用)方式。当CE=1，OE为任意状态，且VPP 端加 +4～+6 V电压时，2816处于待机状态。与2716芯片一样，待机状 态下芯片的功耗将下降。
(3) 字节擦除方式。当CE=0，OE=1，数据线(I/O0～I/O7)都 加高电平且VPP加幅度为+2l V、宽度为9～15 ms的脉冲时，2816 处于以字节为单位的擦除方式。
存
储
字线
电 路
示
意
位 线 Di
图
第6章 半导体存储器
基本存储电路由1个三极管和1根熔丝组成，可存储一位信息。 出厂时，每一根熔丝都与位线相连，存储的都是“0”信息。如果 用户在使用前根据程序的需要，利用编程写入器对选中的基本存 储电路通以2050 mA的电流，将熔丝烧断，则该存储元将存储 信息“1”。由于熔丝烧断后无法再接通，因而PROM只能一次编 程。编程后不能再修改。
1
+25
校验编程内容
0
0
+25
禁止编程
0
1
+25
数据总线状态 输出 高阻 高阻 输入 输出 高阻
第6章 半导体存储器
(1) 读出方式：当CS＝0时，此方式可以将选中存储单元的内 容读出。
(2) 未选中：当CS＝l时，不论PD/PGM的状态如何，2716均 未被选中，数据线呈高阻态。
微机原理第5章半导体存储器(精)
高速缓冲存储器(Cache)。这个存储器 所用芯片都是高速的,其存取速度可与微处 理器相匹配,容量由几十K～几百K字节,通常 用来存储当前使用最多的程序或数据。
内存储器,速度要求较快(低于Cache),有一 定容量(受地址总线位数限制),一般都在几十 兆字节以上。
3
外存,速度较慢,但要求容量大,如软盘, 硬盘,光盘等。其容量可达几百兆至几十个 GB,又称“海量存储器”,通常用来作后备存 储器,存储各种程序和数据,可长期保存,易于 修改,要配置专用设备。
M / IO
•
1
前1K
A11
•
1
后1K
23
前 1K A =0 11 0000000000000000 ～ 0000001111111111B 即 0000～03FFH
后 1K A =1 11 0000100000000000 ～0000101111111111B 即 0800～0BFFH
可见,地址不连续!
选用存储器时,存取速度最好选与CPU 时序相匹配的芯片。另外在满足存储器总 容量前提下,尽可能选用集成度高,存储容量 大的芯片。
14
5.2 读写存储器RAM
5.2.1 静态RAM(SRAM) SRAM的基本存储电路由6个MOS管
组成,为双稳态触发器，其内部结构请自 己看书。
⒈ 2114存储芯片,为1K*4位
27
图中数据总线驱动器采用74LS245,其逻
辑框图与功能表三态如下:
门
A
•
•B
使能 方向控制
G
DIR
操作
&
•
•
0
0
BA
0
1
AB
半导体存储器原理
半导体存储器原理半导体存储器是一种利用半导体材料来存储数据的设备，它广泛应用于计算机、通讯设备、消费电子产品等领域。
半导体存储器具有体积小、速度快、功耗低等优点，因此在现代电子设备中占据着重要的地位。
要深入了解半导体存储器的原理，首先需要了解半导体存储器的基本结构和工作原理。
半导体存储器主要分为RAM（随机存储器）和ROM（只读存储器）两大类。
RAM主要用于临时存储数据，其特点是读写速度快，但断电后数据会丢失；而ROM主要用于存储固定数据，其特点是数据不易丢失。
这两种存储器都是基于半导体材料制造而成的，其工作原理是利用半导体材料的导电特性来实现数据的存储和读取。
半导体存储器的基本单元是存储单元，每个存储单元可以存储一个数据位。
在RAM中，存储单元通常由一个存储电容和一个存储晶体管组成。
当需要向存储单元写入数据时，控制电路会向存储电容充放电，从而改变存储单元的电荷状态；当需要读取数据时，控制电路会根据存储单元的电荷状态来判断数据位的数值。
而在ROM中，存储单元通常由一个存储晶体管和一个存储栅组成，其工作原理类似于RAM，只是数据的写入是一次性的，无法修改。
半导体存储器的工作原理可以简单概括为存储单元的电荷状态代表数据的数值，通过控制电路来实现数据的写入和读取。
半导体存储器的读写速度快、功耗低、体积小等优点使其成为现代电子设备中不可或缺的部分。
随着科技的不断进步，半导体存储器的容量不断增加，速度不断提高，功耗不断降低，将会为人类带来更多便利和可能性。
总之，半导体存储器是一种基于半导体材料制造的存储设备，其工作原理是利用半导体材料的导电特性来实现数据的存储和读取。
通过对半导体存储器的工作原理的深入了解，可以更好地理解现代电子设备的工作原理，为相关领域的研究和应用提供理论基础。
随着科技的不断进步，相信半导体存储器将会在未来发展中发挥越来越重要的作用。
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写“0”：源极（S）和漏极（D）之间加高电
压，使PN结处于反偏状态，发生瞬间击穿。
浮栅上积累了负电荷，形成了带正电的P沟道，
管子导通。
(b) EPROM 晶体管导通状态
6
5.3.3 可擦除的只读存储器EPROM
擦除(Erasable)：
紫外线照射（透过玻璃窗），浮栅上的电子获得能 量，穿越绝缘层泄放掉电荷。正常使用时应避免日 光或荧光灯照射。
擦除：
控制栅极接地，漏极 开路，源极加高电压， 则浮空栅极上累积的电 子逃逸。
高电压 源极 S
地 控制栅
开路 漏极 D 浮栅
+++
+++
P 基体
应用
可升级BIOS (右图) U盘 MP3随身听
手机和平板电脑的外
12
编程器
通用编程器
全自动IC通用编程器
13
铁电存储器（FRAM, FeRAM）
称为存储"0"
D3 D2 D1 D0
有管子的位线为低， 称为存储"1"
4
5.3.2 一次性可编程只读存储器
PROM ● 特点：使用专用设备（编程器），用户一次性写入，故称为
可编程（Programmable）。不可恢复，信息永久保存。
● 适用于：小批量生产。
熔丝
●结构：
A0
地
A1
址
A2
A3
译
A4
码
…
无需擦除，高速读写（35nS ），可替换 SRAM ；
写入寿命高，可达1015次
高集成度、低成本，只有一个晶体管、一个磁 性穿隧结(1T-1MTJ)位单元
主要开发厂商有IBM、Infineon、Cypress和
Motorola
15
相变存储器(PCM, PRAM)
Phase Change Memory 或 Phase-change RAM ( PRAM)
写入前不需要擦除，写入速度较快 读写速度将可逼近DRAM 字节寻址方式
16
作业
5.5 ROM改为NVM
17
EPROM，EEPROM，Flash Memory
非易失性随机存取存储器NVRAM
可读可写
2
5.3 非易失性半导体存储器
应用：
存放软件
如引导程序 智能设备的操作系统
存放微程序 存放特殊编码
如字符点阵
移动存储
U盘，SD卡，手机
3
5.3.1 掩模只读存储器MROM
● MOS只读存储器结构：
特点：
负载管 Vcc
存储的信息在芯片制造时，最
后一道掩模(MASK)工艺由连线 决定“0”和“1”；
字 W1 地 址 W2 译 码 W3 器
生产周期长；
存
可靠性高，信息永不丢失。
储 适用场合：
阵 列
大批量生产，一万片以上。
无管子的位线为高，
读
读放电路
结构：
源极 S 控制栅 漏极 D 浮栅
● 存储原理：
■ 具有两种状态：
1.未写入状态：浮空栅极无电 子，栅极电压大于1V就开始导通。
2.已写入状态：浮空栅极布满 电子，栅极电压大于5V才开始导 通。
源极 S 控制栅 漏极 D 浮栅
+++
+++
P 基体
+++
+++
P 基体
10
5.3.5 闪速存储器（Flash Memory）
5.3 非易失性半导体存储器
5.3 非易失性半导体存储器
主要特性：
存储的信息掉电不丢失。 Non-Volatile也译作 “不挥发”
半导体只读存储器ROM (Read Only Memory)
正常工作时只能读出信息，而不能写入的随机存 储器。信息的写入是通过特殊方法。
可改写的“只读”存储器
最早在1921年提出，直到1993年美国 Ramtron国际公司开发出第一个4K1b4的铁电存
磁性随机存储器（MRAM）
Magnetic Random Access Memory
基于半导体和磁通道(magnetic tunnel junction-MTJ)技术的固态存储介质，属于非 挥发性芯片。
特点：
可多次擦除，通常有数千次擦除寿命
7
EPROM擦除器
8
5.3.4 电擦除只读存储器EEPROM
特点：
内置升压电路，电信号擦除 (Electrically Erasable) 先擦后写，典型擦除寿命1万 次
结构：
源极 S 控制栅 漏极 D 浮栅
写入速度较慢，写一个数据 的大约时间在2-10ms之间。
Vcc
SS S SS S S S
SS S SS S S S
读
读放 电 路
……
D7 D6
D1 D0
5
5.3.3 可擦除的只读存储器
基本结构
VcEc PROM
源极 浮栅 漏极
字线
----
----
N体管结构
地
-Vpp
位线
击穿电流
写“1”：保持原状态，浮栅上不带电荷。
Ferroelectric random access memory 利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储
特点
可以写入，速度与RAM相当； 读写功耗极低。 FRAM有最大访问次数的限制（10 10次即100亿
次），即使是每秒钟进行30次的读写，也有10年 的寿命 ；之后它仅仅是没有了非易失性，仍可像 普通RAM一样使用。
应用：
取代EPROM，擦除方便， 但成本较高。
----
----
N 基体
小容量串行接口的E2PROM， 保存系统设置等参数。如电视 机、空调中，存储用户设置的 参数。
9
5.3.5 闪速存储器（Flash Memory）
特点：
高速、按字节写入，写速度比 E2PROM提高1个数量级 高集成度、低成本. 整片电擦除或按块电擦除，可 擦除10~100万次