第4章半导体存储器优秀课件
《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。
半导体存储器的工作原理PPT课件
存储器芯片
An－1～0 R/W CS
内部存储结构：字片式、位片式
… …
Dm－1～0
电源 地线
第2页/共37页
字片式结构的存储器（64字×8位）
第3页/共37页
• 单译码方式（一维译码）：访存地址仅进行一个方 向译码的方式。
• 每个存储单元电路接出一根字线和两根位线。
• 存储阵列的每一行组成一个存储单元，存放一个8位 的二进制字。
…
读放大器
…
Cs
读放大器
4.2
0
128
1列
选 择
… … … … …
读放大器
Cs
0 … 63
64 … 127
128 根行线
DIN
数据输入
第21页/共37页
I/O缓冲
127
读/写线
DOUT
输出驱动
⑤ 4116 (16K×1位) 芯片 写 原理
…
读读读出放放放大大大器器器
…
Cs
读放大器
4.2
0
128
1列
• 每一根列选择线控制一个读出再生放大器， 128列共有128个读生再生放大器，一列中的 128个存储电路分为两组，每64个存储电路为 一组，两组存储电路的位线分别接入读出再 生 放 大 器 的 两 端 。第23页/共37页
• 存储器的读出
• 行地址经行地址译码选中某一根行线有效， 接通此行上的128个存储电路中的MOS管，使 电容所存信息分别送到128个读出再生放大器 放大。同时，经放大后的信息又回送到原电 路进行重写，使信息再生。
第7页/共37页
位片式结构的存储器芯片（4K×1位）
第8页/共37页
• 4096个存储电路，排列成64×64的阵列。 • 问：需12位地址。 • 分为6位行地址和6位列地址。 • 给地址 行、列译码 选中对应单元
4_半导体存储器精品文档89页
人们希望存储器能同时满足速度快、容量大、
价格低的要求. 实际上,基于局部性原理,存储系
No 统是快慢搭配，具有层次结构，如图4.1所示。
(参见教材)
速度快 CPU 容量小 寄存器
Image 内部Cache 外部Cache 主存储器
速度慢
辅助存储器
容量大
大容量辅助存储器
图4.1 微机存储系统的层次结式可大
大减少译码输出选择线的数目，
适用于大容量的存储器。
Image 以p=10为例，
采用单译码，译码输出需要1024根选择线; 采用双译码，排成32×32的矩阵，输出状态仍 为 1024 个 ， 但 译 码 输 出 选 择 线 却 只 需 要 32+32=64根。 存储器容量越大，此优点越突出。
Image 6. 控制逻辑 接收来自CPU的启动、片选、读/写及清除命 令，经控制电路综合和处理后，产生一组时序信 号来控制存储器的读/写操作。
三、半导体存储器芯片的主要技术指标
No 1. 存储容量（存放二进制信息的总位数）
Image 存储容量=存储单元个数×每个存储单元的位数 常用单位：MB、GB、TB
3. 地址寄存器
No 用于存放CPU访问存储单元的地址，经译码
驱动后指向相应的存储单元。
Image 4. 读/写电路 包括读出放大器、写入电路和读/写控制电路， 用以完成对被选中单元中各位的读出或写入操作。
5. 数据寄存器
No 用于暂时存放从存储单元读出的数据，或从
CPU或I/O端口送出的要写入存储器的数据。
存储器操作：
No 读操作，非破坏性。
写操作，破坏性。
Image 存储器的职能： 信息交换中心。 数据仓库。
《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。
第4章半导体存储器-4.2高速缓冲存储器Cache
3、存储器管理
虚拟存储器：虚拟存储器是由主存－辅存物理结构和负责信息块 划分以及主存－辅存之间信息调度的存储器管理部件(MMU)的 辅助硬件及操作系统的存储器管理软件所组成的存储系统。 管理方式：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟 存储器 虚拟地址：能访问虚拟空间的指令地址码称为虚拟地址。 物理地址：实际的主存地址。
地址对准实际上是保证数据的对准。 未对准的数据要在CPU内部经过字节交换，使其在数据线 上对准存储体。 非对准的字要两个总线周期，对相邻的两个字进行两次操 作，在CPU内部经过字节交换，最终完成读写。
№ 13
2、替换策略
先进先出FIFO：选择最早装入快存的页作为被替换 的页； 最近最少使用策略LRU：选择CPU最近最少访问的页 作为被替换的页
AD0 L H L H
读写的字节 两个字节（AD15—AD0） 高字节（AD15—AD8） 低字节 （AD7—AD0） 不读写
如何连接，满足读写一个字节的需要，又能达到读一个字（低 № 10 位字节在偶地址）？
� � � �
1、存储器的奇偶分体 偶地址（从0开始）单元组成偶存储体， 奇地址单元组成奇存储体。 偶体、奇体共同组成16位存储器系统 。 16位读写是从偶体中选中1个单元、 再从地址加1的奇体中选中1个单元同时读写 。
虚地址
…
段式虚拟存储器的映像
3）段页式虚拟存储器
3、段页式虚拟存储器 虚地址
基号
段号
段表 0
页号
页表
页内地址 实地址
段基址表 0 L N-1
段表 段表 长度 基址 ‥ 1 L-1
M
装入 段长 位
页表 下址
实页 装入 号 位
访问 方式
第4章 半导体存储器-32页PPT文档资料
③ 先进先出存储器（FIFO First In First Out）
寄存器、队列
2. 只读存储器（ROM Read Only Memory）
只能读（用特殊方法可写入），掉电信息不丢失， 可作为主存储器存放系统软件和数据等。
ROM可分为：
计算机原理讲义
半导体存储器
① 固定ROM（掩膜ROM） 由制造厂家固化内容，不可修改
行 X0 0-0 译 码 器 X31
31-0
0-31 31-31
注：此时可将RAM看作一个矩阵，
读数据时需给出行地址信号 RAS (Row Address Signal)
D(I/O)
读写 控制 电路
和列地址信号CAS (Column
Y0
Y31
列译码器
Address Signal) 。通常先
给RAS，再给CAS，经过一段 时间延时，便可以在数据端 读出数据
CACHE、ROM、RAM均是半导体存储器，由大规模集成电
路制成。
计算机原理讲义
存储器
（二）按在计算机中的位置分类
1. 内部存储器（内存） 通常直接与系统总线相连，可细分为： ① 内部CACHE 在CPU内作为一个高速的指令或数据缓冲区。一级 CACHE，二级CACHE均指内部CACHE。 ② 外部CACHE 通常制作在主板上，比主存储器的速度快，介于 内部CACHE和主存之间的一个缓冲区。 ③ 主存储器 计算机系统主要使用的空间。要求速度快，体积 小，容量大。一般为半导体存储器。
计算机原理讲义
存储器
2. 外部存储器 通常是通过总线接口电路与系统总线相连。要求容量大、
掉电信息不丢失，速度可以慢些。如磁盘、光盘
计算机原理讲义
半导体存储器
一、静态RAM
（一）六管静态存 储电路
Q7
Q8
图6-2 静态RAM存储单元电路
（二）静态RAM器件的组成
静态RAM器 件可分成三个部 分，分别是存储 单元阵列、地址 译码器和读/写控 制与数据驱动/缓 冲。一个典型的 静态RAM的示意 图如右图所示。
右图是一个1K×1 位的静态RAM器件的组 成框图。该器件总共可 以寻址1024个单元，每 个单元只存储一位数据。
数据（字操作,使用AD0～AD15），也可以只 传送8位数据（字节操作，使用AD0～AD7或 AD8～AD15）。
仅A0为低电平时，CPU使用AD0～AD7， 这是偶地址字节操作；仅为低电平时，CPU使用 AD8～AD15，这是奇地址字节操作。
若和A0同时为低电平时，CPU对AD0～ AD15操作，即从偶地址读写一个字，是字操作； 如果字地址为奇地址，则需要两次访问存储器。 如下表所示
2、Intel 2114是一个容量为1024×4位的静态 RAM ，Intel 2114是一个容量为1024×4位的静 态RAM其引脚和逻辑符号如下图所示。
引脚图
逻辑符号
（四）静态RAM与CPU的连接
进行静态RAM存储器模块与CPU的连接电路 设计时，需要考虑下面几个问题：
1、CPU总线的负载能力 2、时序匹配问题 3、存储器的地址分配和片选问题 4、控制信号的连接
若存储容量较小，可以 将该RAM芯片的单元阵 列直接排成所需要位数
的形式，每一条行选择 线（X选择线）代表一 个字节，每一条列选择 线（Y选择线）代表字 节的一个位，故通常把
行选择线称为字线，而 列选择线称为位线。
（三）静态RAM的例子
1、Intel 6116是CMOS静态RAM芯片，属双列直 插式、24引脚封装。它的存储容量为2K×8位，其 引脚及功能框图如下图所示。
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
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高集成度DRAM和内存条
168线的内存条（64+8位） SAMSUNG公司的KMM375S1620BT，容
第4章半导体存储器
1
4.1概 述
在现代微机中同时采用三级存储层次，构成cache-内存外存三级存储系统。P219
内存-外存存储层次 的形成解决了存储器的大 容量和低成本之间的矛盾，
弥补主存容量的不足
高速缓存-内存层次 的形成解决了速度与成本 的矛盾。
4.1.1 存储器的分类:外存和内存
按存储器载体分类 （1）磁介质存储器
速度较慢，一般用作外存。如磁盘、磁带等。 （2）半导体存储器
容量大，速度快，体积小，功耗低，广泛用于大、 中、小及微型机中作内存 （3）光存储器 速度快，但需复杂的硬件，主要用作外存
4.1.2 半导体存储器的分类
半导体 存储器
随机存 取存储 器RAM
只读存 储器 ROM
串行存 储器
双极型 MOS 型 掩模 ROM
23 A11
A3
7 6264 22
OE
其它：Vcc为+5V电源，GND接地端，NC表示空端。 A 2 8
21
A 10
6264 的读写
A1 9 A 0 10
20
CS 1
19
D7
D0 11
18
D6
WE CS1 CS2
0
0
1
1
0
1
OE D0~D7 × 写入 0 读出
D 1 12 D 2 13 GND 14
DSP和数据采集系统以及准周期性突发信息缓冲 系统的先进先出存储器
(4)MPRAM：多CPU系统的共享存储器。
2. 双端口RAM举例
CY7C130/131/140/141 1K*8bit高速双端口SRAM A0~A9：地址线 I/O0~I/O7：数据线 CE#：片选 OE#：输出允许线 R/W#：读写控制 BUSY#： INT#：
4．3 半导体只读存储器（ROM）
4.3.1 掩膜式只读存储器ROM ROM制造厂家按用户提供的数据，在芯片制造时
写定。用户无法修改。
4.3.2 可编程的只读存储器PROM 只能写入一次。
4.3.3 可编程、可擦除的只读存储器EPROM
擦除：用12mW／cm2的紫外线（或X射线）相距3cm， 进行照射10～20min，擦除原存信息，成为全1状态。
T1,T2：组成双稳态触发器 T3,T4：负载管 T5,T6：控制管 A点的状态，即要表示的二进 制的一位数。
设T1截止，T2导通，为1；
T2截止，T1导通，为0；
1) 写入过程
选择线为高电平，T5、T6导通 写入‘1’：则I/O=1，I/O#=0，它们经T5、T6加到A、B点， 使T1截止，T2导通，使A=1，B=0，进入“1”状态。 写入‘0’：I/O线为“0”，I/O#上为“1”，使得T1导通， T2截止，达到“0”稳态。
2）读出过程：经地址译码后源自中此电路（单元），即选择线 上为高电平。这时，由于A与I/O线通，B与I/O#线通， 所以I/O线上的状态即要读出的数据。
这种电路，当读出之后，原存储的数据完好不变， 称为非破坏性读出。
2．静态RAM的结构
将多个存储单元按一定方式排列起来，就组成了一个静 态RAM存储器。
量为16M*72（128MB），集成了18片 16M*4的SDRAM，有64位数据线，还有 8位奇偶校验位。
4.2.3 双口RAM 多处理机应用系统中的相互通信
(1)双端口RAM：用于高速共享数据缓冲器系统中， 公共全局存储器
(2)VRAM：图形图像显示中，加速视频图像处理 (3)FIFO：用于高速通信系统、图像图形处理、
D0～D7----8根双向数据线，与系统的数据总线相连。NC 1
CS1，CS2片选信号线。系统的高位地址信号A13～
A12 A7
2 3
A19 和控制信号通过译码产生片选信号。
A6 4
28 Vcc
27
WE
26
CS 2
25
A8
OE----输出允许信号。 WE ----写允许信号。
A5 5 A4 6
24
A9
典型的SRAM 6116：2KB，A0~A10，D0~D7形成 128*16*8（每8列组成看作一个整体操作）的阵列
片选CS# 输出允许 OE# 读写控制 WE#
典型的SRAM芯片6264 (8KB)
A0～Al2----13根地址信号线，通常接到系统地址总线的低13位上， 以便CPU能够寻址芯片上的各个存储单元。
静态SRAM
动态 DRAM
非易失NVRAM
可编程序PROM(一次性写入)
EPROM （紫外线擦除）
EEPROM（电擦除）
电荷藕合器件 CCD
磁泡存储器
4.1.3 半导体存储器的主要技术指标
1．存储容量——指每个存储器芯片所能存储的二进制数的
位数。通常以单元数×数据线位数表示。 2114：1K4 6264： 1K 8=1KB，1MB=210KB 2． 存取速度 用存取时间来衡量，存取时间指从CPU给出有效的存储
17
D5
16
D4
15
D3
其它情况
高阻
4.2.2 动态RAM
1．动态RAM存储电路
由一只MOS管T和一个电容C 组成，靠C存储电荷来存储数 据。
写入时，字选择线为‘1’， T导通，数据线上的信号存入 C中。
读出时，字选择线为‘1’， T导通，C上的信号加到数据 线上。
2.动态RAM举例 Intel 2164A
容量：64K*1bit
引脚：A0~A7，D，RAS，CAS 由行地址选通信号RAS，把先送来的8位地址送至
行地址锁存器，由随后出现的列地址选通信号CAS把 后送来的8位地址送至列地址锁存器。
3. 高集成度DRAM SDRAM同步动态随机访问存储器 （1）DDR SDRAM 双倍率SDRAM (2) DDR2 4倍速
器地址到存储器给出有效数据所需要的时间。 存取时间：超高速存储器：小于20ns；中速：100~200ns；
低速：300ns以上
4.2 随机读写存储器（RAM） 4.2.1 静态RAM 1. 静态RAM的基本存储电路
MOS型静态RAM的基本存储单元通常由六个MOS场效应晶 体管构成，只要不切断电源，其写入的数据可长期保留，且不 需动态刷新。