半导体存储器

    技术2025-02-04  3

     

    半导体存储器由许多存储单元组成,每个存储单元都以其唯一的地址代码加以区分,能存储一位二进制信息。

    分类(存取方式)

    顺序存储器(Sequential Access Memory, SAM):读写操作为“先进先出”或“先进后出”,按顺序进行,局限性大。

    随机存取存储器(Radom Access Memory, RAM):在正常工作状态下,RAM可以随机地从存储器的任意存储单元读取或写入数据,断电后RAM中的信息将丢失。

                          DRAM(Dynamic RAM):由电容和相关元件集成组成,依靠电容中存储的电荷量的多寡表示“0”和“1”,由于电容                            存在漏电现象,所以电容需要定期刷新,以保持状态。集成度高,常用于内存条存储颗粒。

                         SRAM(Static RAM):由晶体管集成组成,不需要定期刷新,响应速度快但功耗大、集成度低,用于容量小但速                           度快的CPU缓存。

    只读存储器(Read Only Memory, ROM):ROM中的数据只能读出不能写入,断电后信息不会丢失,即非易失性存储器。又包括掩模ROM(MROM),可一次编程的ROM(PROM),可用紫外线擦除改写的(EPROM),电擦除可改写的(EEROM),类似于EEROM的闪存(FLASH)。

    存储容量

    位(bit):一个存储单元,一个“0”或一个“1”,称为一位。

    字:一个字通常由16,32,64 位组成。

    字节(byte):一个字节由8位组成。

    若一个存储器由N个字组成,每个字M位,则存储器的容量为N*M 位。

    存储周期

    连续两次读(写)操作的最短间隔时间。

    RAM结构

    RAM扩展

    位扩展:增加I/O           字扩展:增加地址线

    ROM

    结构:地址译码器,存储矩阵,输出电路

    原理:能够按照标准与或式实现组合逻辑,通过地址译码器实现“逻辑与”,而通过存储矩阵中阵列的连接,实现“逻辑或”,最后输出的结果为标准与或式的结果。

     

    Flash闪存

    闪存是一种特殊的、以宏块抹写的EEPROM,属于非易失性存储器。

    工作原理

    浮栅金属氧化物半导体场效应晶体管(FGMOS)

    闪存将数据存储在由浮栅金属氧化物半导体场效应晶体管组成的记忆单元数组内,在单阶存储单元(Single-level cell, SLC)设备中,每个单元只存储1比特的信息。而多阶存储单元(Multi-level cell, MLC)设备则利用多种电荷值的控制让每个单元可以存储1比特以上的数据。

    以上为FGMOS的结构图。图a中,浮栅被包裹在绝缘体SiO2中,其中存储的电荷不容易耗散,可以保存较长时间。在栅极没有施加电压的情况下,通过施加一个很大VSD使漏极PN结发生雪崩击穿产生大量雪崩电流,其中空穴进入衬底而部分高能的电子以热载流子注入的形式隧穿过SiO2绝缘层进入浮栅并被储存在浮栅中。由于浮栅中存储了大量电子,通过感应使SD之间产生沟道,在没有将浮栅中的电子释放的情况下,MOS会一直处于导通状态,从而实现非易失性存储的功能。

    图b中,在浮栅上加了一个控制栅,用来帮助浮栅中电子的注入和导出,降低了FGMOS的工作电压(VSD击穿电压)。

    存储单元电位阶数

    利用浮栅中存储电荷的数量多寡、沟道电流的大小不同,Flash中一个存储单元可以保存一个至多个二进制数。

    Flash与EEROM的区别

    EEROM:可以随机访问和修改任意一个位,但是电路复杂、成本高、容量小。

    Flash:属于广义的EEROM,但是擦除时以块位单位,电路简单、成本低、存储密度高。

    NOR Flash:内部记忆单元以平行方式连接到比特线,允许个别读取与程序化记忆单元。这种记忆单元的平行连接类似于CMOS NOR闸中的晶体管平行连接。数据线和地址线分开,可以实现ram一样的随机寻址功能,可以读取任何一个字节。但是擦除仍要按块来擦。

    NAND Flash:内部记忆单元以顺序方式连接,类似于NAND闸。顺序连接方式所占空间较平行连接方式为小,降低了NAND型闪存的成本。同样是按块擦除,但是数据线和地址线复用,不能利用地址线随机寻址。读取只能按页来读取。(nandflash按块来擦除,按页来读,norflash没有页)。且电路叫NOR Flash简单,容量大。

    参考:Wiki百科 闪存; osnet 《浮栅晶体管》; yuanlulu 《EEPROM和flash的区别》; 戚金清等 《数字电路与系统》

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