半导体存储电路

news/2024/5/19 18:49:36/

半导体存储电路

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        • 固态硬盘(SSD)

SR锁存器和触发器

SR锁存器用于记忆1位二进制信号,触发器与锁存器不同在于,它除了置1、置0输入端以外,又增加了一个信号触发输入端。
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寄存器

由于一个触发器能够存储一位二值代码,所以用N个触发器组成的寄存器能够存储一组N位的二值代码。对寄存器中的触发器只要求它们具有置1、置0的功能即可,因而无论是用电平触发的触发器,还是用脉冲触发或边沿触发的触发器,都可以组成寄存器。为了增加使用的灵活性,在有些寄存器电路中还附加了一些控制电路,使寄存器又增添了异步置0、输出三态控制和“保持”等功能。这里所说的“保持”是指CLK信号到达时触发器不随D端的输入信号而改变状态,保持原来的状态不变。

存储器

存储器分类

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RAM

RAM全拼是Random Access Memory(随机存取存储器),它可读可写,它是掉电丢失的,它里面的数据是非初始化的,使用之前需要对它进行一次初始化,因为上电后无法确定RAM里的数据是什么,为了防止使用时出现随机数的情况需要对其进行初始化为0,它是使用电容作为存储单位,电容存储的电荷会随时间的流逝还消失,存储器需要每隔一段时间给存储器内部的电容器进行一行充电或者一直保持充电状态,会根据电容的电平值以及当前使用的电平标准来提升电容的电荷,它的访问速度较快,因为它只需要读取电容里的电荷值然后转化成对应的数字电路就可以了,其实当断电的一瞬间其实里面还是有数据的,只不过随着时间的流逝没有芯片给这些电容器充电了会导致里面的电荷随之流逝。
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可以看到结构与ROM类似,只不过多了一个输入的接口电路,其次它是掉电丢失的,它的存储单元在介绍里说过是以电容存储的,需要充电。

SRAM

SRAM全拼Static Random Access Memory(静态随机存储器)。SRAM与DRAM类似,它不会动态式的充电,它使用晶体管的特性来存储数据,晶体管是可以根据电流来控制自身开合,利用这一特性可以通过外接线来获取晶体管状态来返回对应数字信号,这样就不需要实时更新只需要一直向它发送特定的电流就可以了

SRAM的静态存储单元是在SR锁存器的基础上附加门控管而构成的。因此它是靠锁存器的自保功能存储数据的。

DRAM

DRAM全拼Dynamic Random Access Memory(动态随机存储器)。它是基于RAM框架,DRAM只是RAM的一种实现手段,所谓的动态就是指周期性的动态给里面的电容充一次电,它需要在更新前获取每个电容的电平信号是1还是0然后根据电路进行对每个电容的刷新,上面说过RAM是电容来存储数据的,DRAM保存电容的方式就是动态更新,当控制信号来时若此时正在更新电荷则等待电荷更新完成去处理控制信号。

DRAM的动态存储单元是利用MOS(金属氧化物半导体)电容可以存储电荷的原理制成,因此必须通过不停的给电容充电来维持信息。

ROM

只读存储器(Read-Only Memory,ROM)以非破坏性读出方式工作,只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来,即使切断电源,信息也不会丢失,所以又称为固定存储器。ROM所存数据通常是装入整机前写入的,整机工作过程中只能读出,不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。ROM所存数据稳定 ,断电后所存数据也不会改变,并且结构较简单,使用方便,因而常用于存储各种固定程序和数据。

ROM有多种类型,且每种只读存储器都有各自的特性和适用范围。从其制造工艺和功能上分,ROM有五种类型,即掩膜编程的只读存储器MROM(Mask-programmedROM)、可编程的只读存储器PROM(Programmable ROM)、可擦除可编程的只读存储器EPROM(Erasable Programmable ROM)、可电擦除可编程的只读存储器 EEPROM(Elecrically Erasable Programmable ROM)和快擦除读写存储器(Flash Memory)。

MROM

掩膜只读存储器(Mask ROM)中存储的信息由生产厂家在掩膜工艺过程中“写入”。在制造过程中,将资料以一特制光罩(Mask)烧录于线路中,有时又称为“光罩式只读内存”(Mask ROM),此内存的制造成本较低,常用于电脑中的开机启动。其行线和列线的交点处都设置了MOS管,在制造时的最后一道掩膜工艺,按照规定的编码布局来控制MOS管是否与行线、列线相连。相连者定为1(或0),未连者为0(或1),这种存储器一旦由生产厂家制造完毕,用户就无法修改。

MROM的主要优点是存储内容固定,掉电后信息仍然存在,可靠性高。缺点是信息一次写入(制造)后就不能修改,很不灵活且生产周期长,用户与生产厂家之间的依赖性大。

PROM

可编程只读存储器(Programmable ROM,PROM)允许用户通过专用的设备(编程器)一次性写入自己所需要的信息,其一般可编程一次,PROM存储器出厂时各个存储单元皆为1,或皆为0。用户使用时,再使用编程的方法使PROM存储所需要的数据。

PROM的种类很多,需要用电和光照的方法来编写与存放的程序和信息。但仅仅只能编写一次,第一次写入的信息就被永久性地保存起来。例如,双极性PROM有两种结构:一种是熔丝烧断型,一种是PN结击穿型。它们只能进行一次性改写,一旦编程完毕,其内容便是永久性的。由于可靠性差,又是一次性编程,较少使用。PROM中的程序和数据是由用户利用专用设备自行写入,一经写入无法更改,永久保存。PROM具有一定的灵活性,适合小批量生产,常用于工业控制机或电器中。

EPROM

可编程可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM)可多次编程,是一种以读为主的可写可读的存储器。是一种便于用户根据需要来写入,并能把已写入的内容擦去后再改写的ROM。其存储的信息可以由用户自行加电编写,也可以利用紫外线光源或脉冲电流等方法先将原存的信息擦除,然后用写入器重新写入新的信息。 EPROM比MROM和PROM更方便、灵活、经济实惠。但是EPROM采用MOS管,速度较慢。

擦除远存储内容的方法可以采用以下方法:电的方法(称电可改写ROM)或用紫外线照射的方法(称光可改写ROM)。光可改写ROM可利用高电压将资料编程写入,抹除时将线路曝光于紫外线下,则资料可被清空,并且可重复使用,通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。

EPROM是指其中的内容可以通过特殊手段擦去,然后重新写入。其基本单元电路(存储细胞),常采用浮空栅雪崩注入式MOS电路,简称为FAMOS。它与MOS电路相似,是在N型基片上生长出两个高浓度的P型区,通过欧姆接触分别引出源极S和漏极D。在源极和漏极之间有一个多晶硅栅极浮空在SiO2绝缘层中,与四周无直接电气联接。这种电路以浮空栅极是否带电来表示存1或者0,浮空栅极带电后(譬如负电荷),就在其下面,源极和漏极之间感应出正的导电沟道,使MOS管导通,即表示存入0。若浮空栅极不带电,则不形成导电沟道,MOS管不导通,即存入1。

EEPROM

电可擦可编程序只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM)是一种随时可写入而无须擦除原先内容的存储器,其写操作比读操作时间要长得多,EEPROM把不易丢失数据和修改灵活的优点组合起来,修改时只需使用普通的控制、地址和数据总线。EEPROM运作原理类似EPROM,但抹除的方式是使用高电场来完成,因此不需要透明窗。 EEPROM比 EPROM贵,集成度低,成本较高,一般用于保存系统设置的参数、IC卡上存储信息、电视机或空调中的控制器。但由于其可以在线修改,所以可靠性不如 EPROM。

EEPROM基本存储单元电路的工作原理如下图所示。与EPROM相似,它是在EPROM基本单元电路的浮空栅的上面再生成一个浮空栅,前者称为第一级浮空栅,后者称为第二级浮空栅。可给第二级浮空栅引出一个电极,使第二级浮空栅极接某一电压VG。若VG为正电压,第一浮空栅极与漏极之间产生隧道效应,使电子注入第一浮空栅极,即编程写入。若使VG为负电压,强使第一级浮空栅极的电子散失,即擦除。擦除后可重新写入。

FLASH

在 20 世纪 80 年代中期,人们发现把热载流子编程和隧穿擦除结合在一起是一种实现一个单管 EPROM 单元的方法,这种新技术被称为快闪存储器(flashROM)。这种技术结合了 EPROM 的编程能力和 EEPROM 的擦除能力,读写速度都很快。这种芯片的改写次数最大能达到 100 万次。

快擦除读写存储器( Flash Memory)是英特尔公司90年代中期发明的一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器它既有EEPROM的特点,又有RAM的特点,是一种全新的存储结构,俗称快闪存储器。它在20世纪80年代中后期首次推出,快闪存储器的价格和功能介于 EPROM和EEPROM之间。与 EEPROM一样,快闪存储器使用电可擦技术,整个快闪存储器可以在一秒钟至几秒内被擦除,速度比 EPROM快得多。另外,它能擦除存储器中的某些块,而不是整块芯片。然而快闪存储器不提供字节级的擦除,与 EPROM一样,快闪存储器每位只使用一个晶体管,因此能获得与 EPROM一样的高密度(与 EEPROM相比较)。“闪存”芯片采用单一电源(3V或者5V)供电,擦除和编程所需的特殊电压由芯片内部产生,因此可以在线系统擦除与编程。“闪存”也是典型的非易失性存储器,在正常使用情况下,其浮置栅中所存电子可保存100年而不丢失。

原理

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发现者

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应用

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工作原理

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存储单元

闪存的基本单元电路,与EEPROM类似,也是由双层浮空栅MOS管组成。但是第一层栅介质很薄,作为隧道氧化层。写入方法与EEPROM相同,在第二级浮空栅加以正电压,使电子进入第一级浮空栅。读出方法与EPROM相同。擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效应,把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除,因此各单元的源极联在一起,这样,快擦存储器不能按字节擦除,而是全片或分块擦除。 到后来,随着半导体技术的改进,闪存也实现了单晶体管(1T)的设计,主要就是在原有的晶体管上加入了浮动栅和选择栅。

在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为0,无电子为1。

闪存就如同其名字一样,写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1”。

写入时只有数据为0时才进行写入,数据为1时则什么也不做。写入0时,向栅电极和漏极施加高电压,增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来,电子就会突破氧化膜绝缘体,进入浮动栅。

读取数据时,向栅电极施加一定的电压,电流大为1,电流小则定为0。浮动栅没有电子的状态(数据为1)下,在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压,源极和漏极之间由于大量电子的移动,就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态(数据为0)下,沟道中传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后,很难对沟道产生影响。

磁盘

磁盘是计算机主要的存储介质,可以存储大量的二进制数据,并且断电后也能保持数据不丢失。早期计算机使用的磁盘是软磁盘(Floppy Disk,简称软盘),如今常用的磁盘是硬磁盘(Hard disk,简称硬盘)

磁盘里面使用一些磁材料存储数据,当对内部导体进行导通时会导致内部磁场发生变化,会让内部的磁极根据电流的方向而产生改变,发生的改变不会因为没有电流而消失,这个改变是永久的,当下次来读时只需要将上次的变化转化成对应的电流变化,这个过程较为复杂,涉及到一些磁信号到电信号的转换,速度相对于较慢,同时如果受到一些磁场较大的一些设备影响会导致里面的磁信号混乱,也就是数据混乱。

硬盘

硬盘属于磁盘的一种,采用温彻斯特式结构,目前常见的硬盘种类主要有以下2种:1、机械硬盘(HDD) 2、固态硬盘(SSD)。

机械硬盘(HDD)

机械硬盘(HDD)是一种利用旋转磁盘和读写头来存储和访问数据的存储设备。它由磁盘、读写头、电机和控制电路等组成,磁盘通常是一种铝合金或玻璃材质的圆盘,表面涂有磁性材料,读写头则可以在磁盘上读写数据。当电机旋转磁盘时,读写头可以在磁盘的不同位置读取和写入数据。

固态硬盘(SSD)

固态硬盘(Solid State Drive,SSD)是一种使用闪存芯片(通常是NAND芯片)来存储数据的高速、低功耗、无噪音、可靠性高的存储设备。与传统机械硬盘相比,固态硬盘不含任何移动部件,因此它具有更快的读写速度、更小的体积、更低的噪音、更低的能耗以及更高的可靠性。固态硬盘适用于需要高速存储和读取数据的场合,如游戏、高清视频处理、数据库、服务器等领域。

SSD采用闪存颗粒来存储,HDD采用磁性碟片来存储,混合硬盘(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘,被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

固态硬盘发展史


http://www.ppmy.cn/news/48358.html

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