5.1.3 半导体存储芯片(SRAM)的一般结构
半导体存储芯片的结构
西南交通大学
主要引脚功能
工作时序
与系统的连接使用
20西南交通大学
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
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
第五章存储器及其接口 1.单项选择题 （1）DRAM2164(64K╳1)外部引脚有（） A.16 条地址线、2 条数据线 B.8 条地址线、1 条数据线 C．16 条地址线、1 条数据线 D.8 条地址线、2 条数据线 (2)8086 能寻址内存贮器的最大地址范围为() A.64KB B.512KB C.1MB D.16KB （3）若用1K╳4b的组成2K╳8b的RAM，需要（）。 A．2 片 B.16 片 C.4 片 D.8 片 （4）某计算机的字长是否 2 位，它的存储容量是 64K 字节编址，它的寻址范围是（）。 A．16K B.16KB C.32K D.64K （5）采用虚拟存储器的目的是（） A．提高主存的速度 B.扩大外存的存储空间 C．扩大存储器的寻址空间 D.提高外存的速度 （6）RAM 存储器器中的信息是（） A．可以读/写的 B.不会变动的 C.可永久保留的 D.便于携带的 （7）用2164DRAM 芯片构成8086 的存储系统至少要（）片 A．16 B.32 C.64 D.8 （8）8086 在进行存储器写操作时，引脚信号 M/IO 和 DT/R 应该是（）A．00 B。01 C。10 D。11 （9）某SRAM 芯片上，有地址引脚线12 根，它内部的编址单元数量为（）A．1024 B。4096 C。1200 D。2K （11）Intel2167(16K╳1B)需要（）条地址线寻址。 A．10 B.12 C.14 D.16 （12）6116（2K╳8B）片子组成一个 64KB 的存贮器，可用来产生片选信号的地址线是（）。 A．A 0~A 10 B。A ~A 15 C。A 11 ~A 15 D。A 4 ~A 19 （13）计算一个存储器芯片容量的公式为（） A．编址单元数╳数据线位数B。编址单元数╳字节C．编址单元数╳字长D。数据线位数╳字长（14）与 SRAM 相比，DRAM（） A．存取速度快、容量大B。存取速度慢、容量小 C．存取速度快，容量小D。存取速度慢，容量大 （15）半导动态随机存储器大约需要每隔（）对其刷新一次。A．1ms B.1.5ms C.1s D.100μs （16）对EPROM 进行读操作，仅当（）信号同时有效才行，。A．OE、RD B。OE、CE C。CE、WE D。OE、WE 2.填空题 （1）只读存储器ROM 有如下几种类型：. （2）半导体存储器的主要技术指标是。
第六章半导体存储器2学时基本知识： 1、半导体存储器的基本概念、以及性能技术指标； 2、半导体存储器的功能分类； 3、SRAM存储单元的基本电路结构； 4、RAM的读/写操作； 5、掩膜ROM的基本结构与基本特性； 6、可编程ROM的基本结构与基本特性； 重点知识： 1、正确理解存储容量的概念； 2、正确理解RAM的基本结构组成； 3、熟练掌握RAM存储容量的扩展方法； 4、正确使用常规半导体存储器； 难点知识： 1、半导体存储器的结构组成的理解；
课后练习:P383-7.1.2、7.1.52、RAM存储容量的扩展方法；
序言 随着半导体集成工艺的不断进步，电路的集成度越来越高。目前，大规模集成电路LSI日新月异，LSI电路的一个重要应用领域就是半导体存储器。 半导体存储器就是存储大量二值数据的半导体器件，是数字系统必不可少的组成部分。这种存储包括：存储文字的编码数据、存储声音的编码数据、存储图像的编码数据。 衡量存储器性能的重要计数指标——存储容量（目前动态存储器的容量可达10亿位/片）、存取速度（一些高速存储器的存取时间仅10nS）。
1、存储容量 存储器由若干存储单元组成，每个存储单元存放一位二进制数。由若干二进制数组成的二进制数代码称为一个字，字所包含二进制 数的位数称为字长。 可见，存放一个字长为M的字需要M个存储单元，且M个存储单元为一个信息单元。 所以：存储容量就是字数N（信息单元）与字长M（位数）的乘积（即存储单元的总数）。 如：64M×8=512M （其中64M为字数或信息单元，8为字长或位数，512M为存储单元）
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
5 ．4 教材习题解答 １．如何区别存储器和寄存器？两者是一回事的说法对吗？ 解：存储器和寄存器不是一回事。存储器在CPU 的外边，专门用来存放程序和数 据，访问存储器的速度较慢。寄存器属于CPU 的一部分，访问寄存器的速度很快。 ２．存储器的主要功能是什么？为什么要把存储系统分成若干个不同层次？主要有 哪些层次？ 解：存储器的主要功能是用来保存程序和数据。存储系统是由几个容量、速度和价 存储系统和结构 第5 章 129 格各不相同的存储器用硬件、软件、硬件与软件相结合的方法连接起来的系统。把存储系 统分成若干个不同层次的目的是为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。由高 速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速 缓存和主存间称为Cache －主存存储层次（Cache 存储系统）；主存和辅存间称为主存—辅
存存储层次（虚拟存储系统）。 ３．什么是半导体存储器？它有什么特点？ 解：采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS 型存储器和双极型存储器两大类。 半导体存储器具有容量大、速度快、体积小、可靠性高等特点。半导体随机存储器存储的 信息会因为断电而丢失。 ４．SRAM 记忆单元电路的工作原理是什么？它和DRAM 记忆单元电路相比有何异 同点？ 解：SRAM 记忆单元由６个MOS 管组成，利用双稳态触发器来存储信息，可以对其 进行读或写，只要电源不断电，信息将可保留。DRAM 记忆单元可以由４个和单个MOS 管组成，利用栅极电容存储信息，需要定时刷新。 ５．动态RAM 为什么要刷新？一般有几种刷新方式？各有什么优缺点？ 解：DRAM 记忆单元是通过栅极电容上存储的电荷来暂存信息的，由于电容上的电 荷会随着时间的推移被逐渐泄放掉，因此每隔一定的时间必须向栅极电容补充一次电荷， 这个过程就叫做刷新。
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) 。
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
6 习题参考答案 6.1 ROM 有哪些种类？各有何特点？ 6.2 指出下列的ROM 存储系统各具有多少个存储单元，应有地址线、数据线、字线和位线各多少根？ 6.3 一个有16384个存储单元的ROM ，它的每个字是8位。试问它应有多少个字？有多少根地址线和数据线？ 6.4 已知 ROM 如图6.21所示，试列表说明ROM 存储的内容。 A 1 A 图6.21 题6.4的图 解： 存储的数据为01、11、00、10 6.5 ROM 点阵图及地址线上的波形图如图6.22所示，试画出数据线D 3～D 0上的波形图。 A 1 A 0 图6.22 题6.5的图
解： 10A A 3210D D D D 0 00 11 01 10 0 1 11 1 1 00 1 0 0 1 0 1 1 A 1A 0 D 0 D 1D 2 D 3 6.6 试用ROM 设计一个组合逻辑电路，用来产生下列一组逻辑函数。画出存储矩阵的 点阵图。 D B D B Y D B D A C D C B B A Y D C A D B A D C B A Y D ABC D C AB D C B A D C B A Y +=+++=++=+++=4321 解： 1234(5,10,13,14)(9,10,11,13) (1,3,4,5,6,7,9,10,11,13,14)(1,3,4,6,9,11,12,14) Y ABCD ABCD ABCD ABCD m Y ABCD ABD ACD m Y AB BCD ACD BD m Y BD BD m =+++=∑=++=∑=+++=∑=+=∑ A B C D Y 4 Y 3 Y 2 Y 1 输出 6.7 试用ROM 设计一个实现8421BCD 码到余3码转换的逻辑电路，要求选择EPROM 的容量，画出简化阵列图。 解：列写真值表，作电路图，选用16×4的EPROM 。
第五章半导体存储器 一、简答题 1、存储器是如何分类的？内存和外存各有什么特点？ 2、RAM和ROM 各有何特点？静态RAM和动态RAM 各有何特点？ 3、如何判断有无地址重叠？有地址重叠时会出现什么问题？软件上应如何配合？ 4、若存储空间的首地址为1000H，写出存储器容量分别为1K×8，2K×8，4K×8和8K×8位时所对应的末地址。试确定每一片存储器的寻址范围。 5、外部存储器和内部存储器各有什么特点？用途如何？ [解答] 微型计算机中存储器分为外部存储器和内部存储器。外存容量大，但存取速度慢，且cpu使用外存信息时需先把信息送到内存中。内存容量小，存取速度快，其信息cpu可直接使用，故外存存放相对来说不经常使用的程序和数据。另外，外存总是和某个外部设备有关。内存容纳当前正在使用的或者经常使用的程序和数据。 6、什么是直接寻址范围？地址线的多少与它有什么关系？ [解答] 直接寻址范围就是利用地址线可寻址的最大地址范围，以地址线的位数为指数，以2为底数的幂为最大直接寻址范围。 7、根据你对CPU和各种存储器的了解，一个微型计算机是如何开始工作的？[解答] 计算机工作时，一般先由ROM中的引导程序，启动系统，再从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的RAM中。在程序的运行过程中，中间结果一般放在内存RAM中，程序结束时，又将结果送到外存。 8、存储器的存取时间是什么意思？它在系统设计时有什么实际意义？ [解答] 存储器的存取时间是指存储器接收到稳定的地址输入到完成操作的时间，系统设计时可以据此考虑数据传输、总线的选择和时序安排。 9、动态RAM为什么要进行刷新？刷新过程和读操作比较有什么差别？ [解答] 不管是哪一种动态RAM，都是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，由于电容会逐渐放电，所以，对动态RAM必须不断进行读出和再写入，以使泄放的电荷受到补充，也就是进行刷新。在温度上升时，电容的放电会加快，所以两次刷新间的间隔是随温度而变化的，一般为1---100ms.在70摄氏度情况下，典型的刷新时间间隔为2ms。虽然进行一次读写操作实际上也进行刷新，但是，由
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
习题五 一.思考题 ⒈半导体存储器主要分为哪几类？简述它们的用途和区别。 答： 按照存取方式分，半导体存储器主要分为随机存取存储器RAM（包括静态RAM和动态RAM）和只读存储器ROM（包括掩膜只读存储器，可编程只读存储器，可擦除只读存储器和电可擦除只读存储器）。 RAM在程序执行过程中，能够通过指令随机地对其中每个存储单元进行读\写操作。一般来说，RAM中存储的信息在断电后会丢失，是一种易失性存储器；但目前也有一些RAM芯片，由于内部带有电池，断电后信息不会丢失，具有非易失性。RAM的用途主要是用来存放原始数据，中间结果或程序，与CPU 或外部设备交换信息。 而ROM在微机系统运行过程中，只能对其进行读操作，不能随机地进行写操作。断电后ROM中的信息不会消失，具有非易失性。ROM通常用来存放相对固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。 根据制造工艺的不同，随机读写存储器RAM主要有双极型和MOS型两类。双极型存储器具有存取速度快、集成度较低、功耗较大、成本较高等特点，适用于对速度要求较高的高速缓冲存储器；MOS型存储器具有集成度高、功耗低、价格便宜等特点，适用于内存储器。 ⒉存储芯片结构由哪几部分组成？简述各部分的主要功能。 答： 存储芯片通常由存储体、地址寄存器、地址译码器、数据寄存器、读\写驱动电路及控制电路等部分组成。 存储体是存储器芯片的核心，它由多个基本存储单元组成，每个基本存储单元可存储一位二进制信息，具有0和1两种状态。每个存储单元有一个唯一的地址，供CPU访问。
地址寄存器用来存放CPU访问的存储单元地址，该地址经地址译码器译码后选中芯片内某个指定的存储单元。通常在微机中，访问地址由地址锁存器提供，存储单元地址由地址锁存器输出后，经地址总线送到存储器芯片内直接进行译码。 地址译码器的作用就是用来接收CPU送来的地址信号并对它进行存储芯片内部的“译码”，选择与此地址相对应的存储单元，以便对该单元进行读\写操作。 读\写控制电路产生并提供片选和读\写控制逻辑信号，用来完成对被选中单元中各数据位的读\写操作。 数据寄存器用于暂时存放从存储单元读出的数据，或暂时存放从CPU送来的要写入存储器的数据。暂存的目的是为了协调CPU和存储器之间在速度上的差异。⒊简述SRAM和DRAM的应用特点。 答： SRAM具有鲜明的应用特点： a、由电路结构的特点，可以保证存储的数据信息只要不断电，就不会丢失；不需要定时刷新，简化了外部电路。 b、相对动态RAM，存取速度更快。 c、内部电路结构复杂，集成度较低；制造价格成本较高。 d、双稳态触发电路总有一个处于导通状态，使得静态RAM的电功耗较大。 e、一般用作高速缓冲存储器（cache）。 DRAM的应用特点主要有： a、集成度高、功耗小，制作成本低，适合制作大规模和超大规模集成电路，微机内存储器几乎都是由DRAM组成。
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。
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
半导体存储器的分类作者去者日期 2010-3-20 14:27:00 2 推荐 1．按制造工艺分类 半导体存储器可以分为双极型和金属氧化物半导体型两类。 双极型（bipolar）由TTL晶体管逻辑电路构成。该类存储器件的工作速度快，与CPU处在同一量级，但集成度低，功耗大，价格偏高，在微机系统中常用做高速缓冲存储器cache。 金属氧化物半导体型，简称MOS型。该类存储器有多种制造工艺，如NMOS, HMOS, CMOS, CHMOS等，可用来制造多种半导体存储器件，如静态RAM、动态RAM、EPROM等。该类存储器的集成度高，功耗低，价格便宜，但速度较双极型器件慢。微机的内存主要由MOS型半导体构成。 2．按存取方式分类 半导体存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类。ROM是一种非易失性存储器，其特点是信息一旦写入，就固定不变，掉电后，信息也不会丢失。在使用过程中，只能读出，一般不能修改，常用于保存无须修改就可长期使用的程序和数据，如主板上的基本输入/输出系统程序BIOS、打印机中的汉字库、外部设备的驱动程序等，也可作为I/O数据缓冲存储器、堆栈等。RAM是一种易失性存储器，其特点是在使用过程中，信息可以随机写入或读出，使用灵活，但信息不能永久保存，一旦掉电，信息就会自动丢失，常用做内存，存放正在运行的程序和数据。 （1）ROM的类型 根据不同的编程写入方式，ROM分为以下几种。 ① 掩膜ROM 掩膜ROM存储的信息是由生产厂家根据用户的要求，在生产过程中采用掩膜工艺（即光刻图形技术）一次性直接写入的。掩膜ROM一旦制成后，其内容不能再改写，因此它只适合于存储永久性保存的程序和数据。 ② PROM PROM（programmable ROM）为一次编程ROM。它的编程逻辑器件靠存储单元中熔丝的断开与接通来表示存储的信息：当熔丝被烧断时，表示信息“0”；当熔丝接通时，表示信息“1”。由于存储单元的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此PROM存储的信息只能写入一次，不能擦除和改写。 ③ EPROM EPROM（erasable programmable ROM）是一种紫外线可擦除可编程ROM。写入信息是在专用编程器上实现的，具有能多次改写的功能。EPROM芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当需要改写时，将它放在紫外线灯光下照射约15～20分钟便可擦除信息，使所有的擦除单元恢复到初始状态“1”，又可以编程写入新的内容。由于EPROM在紫外线照射下信息易丢失，故在使用时应在玻璃窗口处用不透明的纸封严，以免信息丢失。 ④ EEPROM EEPROM也称E2PROM（electrically erasable programmable ROM）是一种电可擦除可编程ROM。它是一种在线（或称在系统，即不用拔下来）可擦除可编程只读存储器。它能像RAM那样随机地进行改写，又能像ROM那样在掉电的情况下使所保存的信息不丢失，即E2PROM兼有RAM和ROM的双重功能特点。又因为它的改写不需要使用专用编程设备，只需在指定的引脚加上合适的电压（如＋5V）即可进行在线擦除和改写，使用起来更加方便灵活。 ⑤ 闪速存储器 闪速存储器（flash memory），简称Flash或闪存。它与EEPROM类似，也是一种电擦写型ROM。与E EPROM的主要区别是：EEPROM是按字节擦写，速度慢；而闪存是按块擦写，速度快，一般在65～170ns之
计算机组成原理第五章答案63950
5 ．4 教材习题解答 １．如何区别存储器和寄存器？两者是一回事的说法对吗？ 解：存储器和寄存器不是一回事。存储器在CPU 的外边，专门用来存放程序和数 据，访问存储器的速度较慢。寄存器属于CPU 的一部分，访问寄存器的速度很快。 ２．存储器的主要功能是什么？为什么要把存储系统分成若干个不同层次？主要有 哪些层次？ 解：存储器的主要功能是用来保存程序和数据。存储系统是由几个容量、速度和价 存储系统和结构 第5 章 129 格各不相同的存储器用硬件、软件、硬件与软件相结合的方法连接起来的系统。把存储系 统分成若干个不同层次的目的是为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。由高 速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速 缓存和主存间称为Cache －主存存储层次（Cache 存储系统）；主存和辅存间称为主存—辅
存存储层次（虚拟存储系统）。 ３．什么是半导体存储器？它有什么特点？ 解：采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS 型存储器和双极型存储器两大类。 半导体存储器具有容量大、速度快、体积小、可靠性高等特点。半导体随机存储器存储的 信息会因为断电而丢失。 ４．SRAM 记忆单元电路的工作原理是什么？它和DRAM 记忆单元电路相比有何异 同点？ 解：SRAM 记忆单元由６个MOS 管组成，利用双稳态触发器来存储信息，可以对其 进行读或写，只要电源不断电，信息将可保留。DRAM 记忆单元可以由４个和单个MOS 管组成，利用栅极电容存储信息，需要定时刷新。 ５．动态RAM 为什么要刷新？一般有几种刷新方式？各有什么优缺点？ 解：DRAM 记忆单元是通过栅极电容上存储的电荷来暂存信息的，由于电容上的电 荷会随着时间的推移被逐渐泄放掉，因此每隔一定的时间必须向栅极电容补充一次电荷， 这个过程就叫做刷新。
按半导体工艺分类,集成电路可以分为 A、双极型电路、MOS电路和接口电路 B、双极型电路、MOS电路和双极型－MOS电路 C、小规模、大规模和超大规模集成电路 D、模拟集成电路、数字集成电路 化合物半导体分类概述 化合物半导体主要包括III-V族，II-VI族、IV-IV族及I-III-VI族等，但就研究现况及未来远景而言，仍以III-V族、II-VI族及IV-IV族为主流，概述如下。 1. III-V族 （1） 砷化物系列材料︰包括AlGaA s、应变InGaAs材料，已是最成熟的化合物半导体，也是在光纤通讯、无线通讯及信息产业上不可或缺的关键材料。近年来，研究重点除了与量产技术相关的课题外，最受注意的方向就是与纳米科技相关的InGaAs、InAs量子点、量子线低维度结构及其临场实时检测技术、Metamorphic 外延技术、含氮的InGaAsSbN材料、以及含Mn，Co，Ni及Cr等元素的磁性材料。 这些新材料搭配纳米结构会是未来发展量子器件的基础。 （2） 磷化物系列材料︰包括可见光范围的AlGaInP/GaAs及光纤通讯应用的InGaAsP/InP以及InAlGaAs/InP系列材料。含磷系列的材料，在MOCVD外延技术上已相当成熟，但在分子束外延（MBE）技术方面，直到最近几年由于固态磷源技术的进步，且有良好的均匀性及安全性的优点，而成为许多人青睐的选项的一。AlGaInP材料主要应用于LED及激光，而InGaP/GaAs则是重要的HBT材料，InP系列除了光纤通讯的应用的外，也是高速器件及MMIC的重要材料，特别是InP HBT将在100 GHz以上的电路扮演极重要的角色。当然，其纳米结构也是研 究重点的一。 （3） 氮化物系列材料︰包括BN，AlN，GaN及InN等，是当今最热门的研究重点，相关材料的波长涵盖范围包括紫外光、紫光、蓝光、绿光、红光，甚至红外光，而器件则包括高亮度LED、半导体激光、光侦测器，以及高功率电子器件，如HEMT 等。由于它的应用广泛，各种不同的外延技术都值得发展。目前氮化物系列材料最大的课题是没有适当的晶格匹配衬底。因此，衬底材料的单晶成长技术，及以HVPE成长厚层GaN作为衬底的相关技术，均是值得探讨的课题。除了六方晶系氮化物系列材料的外，低度含氮的立方化合物半导体材料也是一个重要的研究主题，在GaAs衬底上成长InGaAsN以制作1.3 μm，1.55 μm激光及光放大器即是一例。这类型材料的外延成长、材料缺陷研究、物理研究与器件应用，目前虽已有良好的进展，但其中牵涉的物理仍未十分清楚，有待深入研究。 （4） 锑化物系列材料︰锑化物系列的材料过去主要是在中红外线波长范围（2-5μm）的应用，包括下一世代的光纤通讯、中红外线光源、侦测器及热光伏特(TPV)能
第5章存储器系统 主要内容： 存储器系统的概念 半导体存储器的分类及其特点 半导体存储芯片的外部特性及其与系统的连接 存储器接口设计（存储器扩展技术） 高速缓存 §5.1 概述 主要内容： 存储器系统及其主要技术指标 半导体存储器的分类及特点 两类半导体存储器的主要区别 一、存储器系统 1. 存储器系统的一般概念 将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同 的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法 连接起来 系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近 最大的存储器。 构成存储系统。 2. 两种存储系统 在一般计算机中主要有两种存储系统： 主存储器 Cache存储系统 高速缓冲存储器 主存储器 虚拟存储系统 磁盘存储器
Cache存储系统 对程序员是透明的 目标： 提高存储速度 Cache 主存储器 虚拟存储系统 对应用程序员是透明的。 目标： 扩大存储容量 主存储器 磁盘存储器 3. 主要性能指标 存储容量（S）（字节、千字节、兆字节等） 存取时间（T）（与系统命中率有关） 命中率（H） T=H*T1+（1-H）*T2 单位容量价格（C） 访问效率（e） 4. 微机中的存储器 通用寄存器组及 指令、数据缓冲栈片内存储部件 高速缓存 内存储部件 主存储器 联机外存储器 外存储部件 脱机外存储器
二、半导体存储器 1. 半导体存储器 半导体存储器由能够表示二进制数“0”和“1”的、具有记忆功能的半导体器件组成。 能存放一位二进制数的半导体器件称为一个存储元。 若干存储元构成一个存储单元。 2. 半导体存储器的分类 随机存取存储器（RAM） 内存储器 只读存储器（ROM 随机存取存储器（RAM） 静态存储器（SRAM） RAM 动态存储器（DRAM） 只读存储器（ROM） 掩模ROM 只读存储器一次性可写ROM EPROM EEPROM 3. 主要技术指标 存储容量 存储单元个数×每单元的二进制数位数 存取时间 实现一次读/写所需要的时间 存取周期 连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间 可靠性 功耗