第11章半导体存储器(半导体集成电路共14章)
《半导体存储器》课件
嵌入式系统中的应用
半导体存储器广泛应用于 嵌入式系统，如智能家居、 汽车电子和工业控制。
计算机内存
半导体存储器是计算机主 存储器的重要组成部分， 用于临时存储数据和程序。
智能手机内存
手机内存运行应用程序和 存储数据，半导体存储器 提供了高速和可靠的数据 存取。
未来半导体存储器的发展方向
1 3D垂直存储器
《半导体存储器》PPT课 件
半导体存储器PPT课件大纲
什么是半导体存储器？
半导体存储器定义
半导体存储器是指使用半导体材料制造的存储器，它可以将数据存储在芯片内部的电子元件 中。
存储器的分类
常见的半导体存储器包括静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）和 闪存存储器。
常见的半导体存储器
通过增加垂直堆叠层数来增加存储容量，提高存储密度和性能。
2 非易失性存储器
开发更加稳定和可靠的非易失性存储器，提供更长久的数据存储和保护。
3 全新器件技术
研发新型的器件结构和材料，以满足不断增长的存储需求和更高的速度要求。
总结
半导体存储器的重要性
半导体存储器在现代计算和通信领域发挥着关键作用，对技术和社会的发展产生积极影响。
静态随机存取存储器 （SRAM）
SRAM具有快速读写速度和较 短的访问时间，适用于高性 能的应用。
动态随机存取存储器 （DRAM）
DRAM具有较大的存储容量和 较低的成本，广泛应用于个 人电脑和服务器。
闪存存储器
闪存存储器具有非易失性和 较高的耐用性，适用于便携 设备的存储需求。
半导体存储器的工作原理
1
SRAM的工作原理
SRAM使用触发器实现数据的存储和读取，具有较快的访问速度和数据保持能力。
集成电路设计基础第11章数字集成vlsi系统设计基础
通过对时序逻辑电路的输入、输出及状态进行分析，了解其工作原理和特性。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，选用合适的触发器和组合逻辑电路，设计出满足特定功能的时序逻辑电路。同时 需要考虑时序问题，确保电路的正确性和稳定性。
03
数字集成VLSI系统关键技术
高性能计算技术
并行处理技术
通过多核处理器、GPU加速等技术提高计算能力。
逻辑综合
将HDL代码转换为门级网表，优化电路性能并降低功 耗。
布局布线
根据电路需求和工艺要求，将门级网映射到具体的 芯片上，实现电路的物理实现。
时序分析
对布局布线后的电路进行时序分析，确保电路时序的 正确性和性能。
仿真验证与测试方法
前仿真
在电路设计阶段进行仿真验证， 检查电路功能和性能是否符合设 计要求。
THANKS
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集成电路设计基础第11章数 字集成vlsi系统设计基础
• 数字集成VLSI系统概述 • 数字集成VLSI系统基本原理 • 数字集成VLSI系统关键技术 • 数字集成VLSI系统实现方法
• 数字集成VLSI系统应用实例 • 数字集成VLSI系统前沿研究动态
01
数字集成VLSI系统概述
定义与发展历程
柔性电子在数字集成VLSI中潜在价值
柔性电子器件
利用柔性基底和可弯曲的电 子材料制造柔性电子器件， 实现可穿戴、可折叠的数字
集成VLSI系统。
生物兼容性
柔性电子具有良好的生物兼 容性，可用于生物医学应用 中与人体紧密接触的电子设
备。
轻量化与便携性
柔性电子器件具有轻量化、 薄型化和可弯曲的特点，便 于携带和集成到各种移动设 备中。
应用领域及市场需求
半导体存储器PPT38页
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
半导体存储器
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
《半导体存储器》课件
制造设备
用于将掺杂剂引入硅片。
用于在硅片上生长单晶层 。
掺杂设备 外延生长设备
用于切割硅片。
晶圆切割机
制造设备
光刻机
用于将电路图形转移到硅片上。
刻蚀机
用于刻蚀硅片表面。
镀膜与去胶设备
用于在硅片表面形成金属层或介质层，并去 除光刻胶。
测试与封装设备
用于对芯片进行电气性能测试和封装成最终 产品。
分类
根据存储方式，半导体存储器可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ ROM）。
历史与发展
1 2 3
早期阶段
20世纪50年代，半导体存储器开始出现，以晶 体管为基础。
发展阶段
随着技术的进步，20世纪70年代出现了动态随 机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器 （SRAM）。
当前状况
现代半导体存储器已经广泛应用于计算机、移动 设备、数据中心等领域。
物联网和边缘计算
在物联网和边缘计算领域应用半导体存储器，实现高 效的数据存储和传输。
CHAPTER
05
案例分析：不同类型半导体存 储器的应用场景
DRAM的应用场景
01
DRAM（动态随机存取存储器）是一种常用的半导体存储器，广泛应 用于计算机和服务器等领域。
02
由于其高速读写性能和低成本，DRAM被用作主内存，为CPU提供快 速的数据存取。
外延生长
在硅片上生长一层或多 层所需材料的单晶层。
掺杂
通过扩散或离子注入等 方法，将掺杂剂引入硅 片。
制造流程
01
光刻
利用光刻胶将电路图形转移到硅片 上。
镀膜与去胶
在硅片表面形成金属层或介质层， 并去除光刻胶。
最新半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)
半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)第1章 集成电路的基本制造工艺1.6 一般TTL 集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么?答：集成运算放大器电路的外延层电阻率比一般TTL 集成电路的外延层电阻率高。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 复 习 思 考 题2.2 利用截锥体电阻公式，计算TTL “与非”门输出管的CS r ，其图形如图题2.2所示。
提示：先求截锥体的高度up BL epi mc jc epi T x x T T -----=- 然后利用公式： ba ab WL Tr c -•=/ln 1ρ ， 212••=--BL C E BL S C W L R rba ab WLTr c -•=/ln 3ρ 321C C C CS r r r r ++=注意：在计算W 、L 时, 应考虑横向扩散。
2.3 伴随一个横向PNP 器件产生两个寄生的PNP 晶体管，试问当横向PNP 器件在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大? 答：当横向PNP 管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。
2.8 试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA 的电流负载下，OL V ≤0.4V ，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。
给出设计条件如下：答： 解题思路⑴由0I 、α求有效发射区周长Eeff L ； ⑵由设计条件画图①先画发射区引线孔；②由孔四边各距A D 画出发射区扩散孔； ③由A D 先画出基区扩散孔的三边； ④由B E D -画出基区引线孔； ⑤由A D 画出基区扩散孔的另一边； ⑥由A D 先画出外延岛的三边； ⑦由C B D -画出集电极接触孔； ⑧由A D 画出外延岛的另一边； ⑨由I d 画出隔离槽的四周；⑩验证所画晶体管的CS r 是否满足V V OL 4.0≤的条件，若不满足，则要对所作的图进行修正，直至满足V V OL 4.0≤的条件。
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。
《半导体集成电路》考试题目及参考答案
第一部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？4.5.6.1.2.3.4.5.6.7.8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。
第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。
2.什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄生效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的方法？6.如何解决MOS器件的场区寄生MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄生双极晶体管效应？第3章集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。
3.4.5.1.流2. 分析四管标准TTL与非门（稳态时）各管的工作状态？3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。
4. 两管与非门有哪些缺点，四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善，并分析改善部分是如何工作的。
四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。
5. 相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善，分析改进部分是如何工作的。
6. 画出四管和六管单元与非门传输特性曲线。
并说明为什么有源泄放回路改善了传输特性的矩形性。
7. 四管与非门中，如果高电平过低，低电平过高，分析其原因，如与改善方法，请说出你的想法。
8.1. 2. 4. 5. 6.7.请画出晶体管的D DS I V 特性曲线，指出饱和区和非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。
8.给出E/R 反相器的电路结构，分析其工作原理及传输特性，并计算VTC 曲线上的临界电压值。
《半导体集成电路》考试题目及参考答案(DOC)
《半导体集成电路》考试题目及参考答案(DOC)1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。
5. 运用基区扩散电阻，设计一个方块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。
第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输入短路电流输入漏电流静态功耗瞬态延迟时间瞬态存储时间瞬态上升时间瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL与非门（稳态时）各管的工作状态？3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。
4. 两管与非门有哪些缺点，四管及五管与非门的结构相对于两管与非门在那些地方做了改善，并分析改善部分是如何工作的。
四管和五管与非门对静态和动态有那些方面的改进。
5. 相对于五管与非门六管与非门的结构在那些部分作了改善，分析改进部分是如何工作的。
6. 画出四管和六管单元与非门传输特性曲线。
并说明为什么有源泄放回路改善了传输特性的矩形性。
7. 四管与非门中，如果高电平过低，低电平过高，分析其原因，如与改善方法，请说出你的想法。
8. 为什么TTL与非门不能直接并联？9. OC门在结构上作了什么改进，它为什么不会出现TTL与非门并联的问题。
第5章MOS反相器1. 请给出NMOS晶体管的阈值电压公式，并解释各项的物理含义及其对阈值大小的影响（即各项在不同情况下是提高阈值还是降低阈值）。
2. 什么是器件的亚阈值特性，对器件有什么影响？3. MOS晶体管的短沟道效应是指什么，其对晶体管有什么影响？4. 请以PMOS晶体管为例解释什么是衬偏效应，并解释其对PMOS晶体管阈值电压和漏源电流的影响。
5. 什么是沟道长度调制效应，对器件有什么影响？6. 为什么MOS晶体管会存在饱和区和非饱和区之分（不考虑沟道调制效应）？7.请画出晶体管的D DS特性曲线，指出饱和区和I V非饱和区的工作条件及各自的电流方程（忽略沟道长度调制效应和短沟道效应）。
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2013-6-28 21
NAND译码器
NOR译码器
2013-6-28
22
两级译码方式
WL0 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 WL0 ( A0 A1 )( A2 A3 )( A4 A5 )( A6 A7 )( A8 A9 )
•••
字线 Wi V1
字线 Wi
Û ¿ È Ë Û ¿ È Ë (a) » ß Î Ï Di (b)
位线 Di
» ß Î Ï
V2
位线 Di (b)
(a)
2013-6-28
28
三、非挥发性存储器
1. Floating-Gate Transistor (EPROM)
Floating gate Source
Gate Drain
WL [
WL [3]
字线工作在负逻辑
默认情况下字线为高，被选中时为低。
2013-6-28 15
MOS NAND ROM Layout1
用金属1层编程
不需要到VDD和GND的接触孔; 进一步更加减小了版图面积； 跟 NOR ROM相比，性能有所下降。
Polysilicon Diffusion Metal1 on Diffusion
Word 1
Word 2
Word 1
Word 2 Storage Cell
Ak-1
Sn-2 Sn-1 Word n-2 Word n-1 Input/Output Sn-2 Sn-1 Word n-2 Word n-1 Input/Output
n words n 个选择信号
2013-6-28
通过译码器 ：输入信号数k = log2 n
WL [2] GND WL [3]
BL [0]
BL [1]
BL [2]
BL [3]
预冲管充电时，所有下拉管（字线控制的管子）关断。 优点：消除了静态功耗。 缺点：增加了时钟信号发生电路
6.地址译码器
行译码器 列译码器
(1).行译码器 行译码器的任务是从存储阵列诸多行中选中 所需的行
a. NOR译码器 b. NAND译码器
未被编程晶体管处于常通状态
2013-6-28
37
VDD
控制栅2 浮栅1 WL 选择晶体管 BL
N+
Gnd
eN+
e- N+
FN隧道效应
P－sub
特点： 1.可按位（字节）擦除； 2.每个单元需要2个晶体管，位密度 低，价格比EPROM高。
2013-6-28
38
3.Flash EEPROM
Control gate
VDD
VDD
P208 图10.37
WL
VDD M 2 M 4 Q M 3 BL
M 5
CC
Q M 1
M 6
CC
BL
2013-6-28
48
CMOS SRAM Analysis (Read) V
DD
VDD
WL VDD M 2 M 5
CC
M 4 M 6 Q=1
读信号时根据 位线上电平是 否有变化判断 为“1”或“0”
隧道击穿机理 电子注出浮动栅极
0V 10V
擦除后恢复 未编程状态 过擦除形成 耗尽型晶体管
问题：标准字线无法关断晶体管
2013-6-28 35
B2读出错误！！
2013-6-28
36
EEPROM Cell
WL
BL
2 transistor cell 被编程晶体管阈值大于VDD, 相当于开路
VDD
Floating gate erasure n + source Thin tunneling oxide
programming
p-substrate
n + drain
编程：热电子注入 擦除：隧穿机理
2013-6-28 39
Cross-sections of NVM cells
Flash
2013-6-28
D G
tox
tox n+ Substrate p n+_
S
器件截面图
电路符号
2013-6-28
29
浮栅晶体管的编程过程
20 V 0V 5V 20 V 0V 5V
S
D
S
D
S
D
加上高的编程电压 后，发生雪崩倍增 产生的高能热电子 注入浮栅
电压移去后， 电荷依然存在
加上普通工作 . 电压后，由于 晶体管阈值电 压被抬高从而 不导通
一般用紫外擦除
2013-6-28 30
A “Programmable-Threshold” Transistor
2013-6-28
31
2013-6-28
特点： 1.只能“系统外”擦除，擦除时间长； 2.位密度高，价格低。
32
2.EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)
Floating gate Source 20–30 nm Gate Drain -10 V 10 V n+ Substrate p n+ I
2013-6-28
20
Precharge devices
GND
GND
VDD WL 3
WL3 WL2 WL1
VDD
VDD
WL 2
V DD WL0
WL 1
WL 0 VDD f A0 A0 A1 A1
A0
A0
A1
A1
f
2-input NOR decoder
2-input NAND decoder
规模较大时，NOR译码器译码速度快，但占面积 大,NAND译码器面积小，但因管子串联较多速度慢
V GD
氧化层厚度10 nm
Fowler-Nordheim I-V characteristic
2013-6-28
33
EEPROM的编程过程
10V 0V 5V 5V
隧道击穿机理 电子注入浮动栅极
移去编程电压后 电荷仍被捕获
编程形成了较高的 阈值电压
2013-6-28
34
EEPROM的擦除过程
0V 10V
普通OR、NOR、NAND结构缺点
静态功耗大，当输出为低（NOR、NAND） 或高（OR）时，存在一个从VDD到GND的 静态电流通路。
预充式NOR ROM
2013-6-28
18
5.预充式NOR ROM
φpre
V DD Precharge devices
WL[0]
GND WL [1]
φpre WL[0]
用金属将不需要的晶体管源漏短路
2013-6-28 16
NAND ROM Layout2
用离子注入层编， 需增加一道工序
注入n型杂质降 低阈值使其变成 耗尽型，相当于 短路
Polysilicon Threshold-altering implant
Metal1 on Diffusion
2013-6-28 17
1.须按块擦除； 2. 位密度高，速度快
2013-6-28
43
Characteristics of State-of-the-art NVM
2013-6-28
44
四、读写存储器 (RAM)
静态读写存储器 (SRAM)
存储数据保存时间长 面积大 (6 transistors/cell) 快
动态态读写存储器 (DRAM)
BL BL BL WL
VDD WL
WL
1
BL
WL WL
BL
BL
WL
0
GND Diode ROM MOS ROM 1 MOS ROM 2
2013-6-28
10
2.MOS OR ROM
BL[0] WL[0] V DD WL[1] BL[1] BL[2] BL[3]
WL[2] V DD
WL[3]
V bias Pull-down loads
半导体 集成电路
学校：西安理工大学 院系：自动化学院电子工程系 专业：电子、微电 时间：秋季学期
2013-6-28
1
第11章 半导体存储器
2013-6-28
2
内容提要
概述 存储器的分类 存储器的容量 存储器的结构 只读存储器（ROM） 非挥发存储器（NVRWM） 随机存取存储器（RAM）
2013-6-28 11
3.MOS NOR ROM
V DD Pull-up devices
WL[0]
GND
WL [1]
WL [2]
GND
WL [3]
BL [0]
2013-6-28
BL [1]
BL [2]
BL [3]
12
MOS NOR ROM Layout 1
Polysilicon Metal1 Diffusion Metal1 on Diffusion
需要周期性刷新 面积小 (1-3 transistors/cell) 慢
2013-6-28
45
时序电路的 存储机理？
静态保持
动态保持
0
1
×
1 1
0
1
×
1
×
0
1
2013-6-28
46
1. SRAM
字线
基本SRAM单元和电压传输特性
1 q 2 q
位 线
位线
2013-6-28
47
(1) 6管CMOS SRAM单元
WL 1