数电基础 - 半导体存储

目录

一. 简介

一.  只读存储器

二. 可编程只读存储器

三. 可擦除的可编程只读存储器

四. 随机存储器

五. 存储器容量的扩展

六. 总结

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一. 简介

半导体存储是数字电路中用于存储数据的重要组成部分。

半导体存储器主要分为两大类：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

随机存取存储器（RAM）可以随时进行读或写操作。它又分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。

• 静态随机存储器（SRAM）采用触发器存储信息，速度快，但集成度低、成本高。
• 动态随机存储器（DRAM）利用电容存储电荷来保存信息，需要定时刷新，速度相对较慢，但集成度高、成本低。

只读存储器（ROM）在正常工作时只能读出信息，不能写入。ROM 又包括掩膜 ROM、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）等。

• 掩膜 ROM 在制造时通过掩膜工艺将信息写入，用户无法更改。
• PROM 允许用户一次性编程写入数据。
• EPROM 可以通过紫外线擦除原有信息并重新编程。
• EEPROM 则可以通过电信号进行擦除和编程，使用更加灵活。

半导体存储器在计算机系统、数字通信、控制系统等领域中得到了广泛应用，用于存储程序、数据、中间结果等信息。

一.  只读存储器

只读存储器（ROM，Read-Only Memory）是一种半导体存储器，其特点是在正常工作状态下只能读取数据，而不能进行写入操作。

ROM 主要分为以下几种类型：

1. 掩膜 ROM：在制造过程中，通过掩膜工艺将信息永久性地存储在芯片中，用户无法修改。这种 ROM 适用于批量生产，成本较低，但灵活性差。

2. 可编程只读存储器（PROM，Programmable Read-Only Memory）：用户可以对其进行一次性编程，但编程后就不能再修改。

3. 可擦除可编程只读存储器（EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory）：可以通过紫外线照射来擦除存储的内容，然后重新编程。

4. 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）：能够通过电信号进行擦除和重新编程，使用起来更加方便灵活。

只读存储器常用于存储固定不变的程序、常数、字符编码等信息，例如计算机的 BIOS（基本输入输出系统）程序就通常存储在 ROM 中。

ROM 在数字电路系统中具有重要作用，它能够提供稳定可靠的只读数据存储，保证系统在运行时能够快速准确地获取所需的固定信息。

二. 可编程只读存储器

可编程只读存储器（PROM，Programmable Read-Only Memory）是只读存储器（ROM）的一种类型。

PROM 在出厂时，其内部存储的内容全为 0 或 1（具体取决于芯片设计），用户可以根据自己的需要对其进行一次性编程。编程时，通过施加特定的高电压或电流，将某些存储单元的状态永久性地设置为 1 或 0，从而实现对存储内容的定制。

一旦完成编程，PROM 的内容就不可更改。虽然 PROM 给予了用户一定的自定义空间，但由于只能编程一次，其灵活性相对有限。

PROM 常用于一些需要固化特定程序或数据，且后续不需要修改的应用场景，例如某些专用设备的控制程序存储。

工作原理:

可编程只读存储器（PROM）的工作原理如下：

PROM 由大量的存储单元组成，每个存储单元通常由一个晶体管和一个熔丝构成。

在出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的，对应的存储单元被认为存储的是“0”。

当用户要对 PROM 进行编程时，会给需要存储“1”的单元施加特定的较大电流。这个大电流会烧断相应存储单元中的熔丝，从而改变该单元的状态为“1”。

在读取数据时，通过地址译码器选中相应的存储单元，根据存储单元中熔丝的状态（完好为“0”，烧断为“1”），将存储的数据输出。

由于熔丝一旦烧断就无法恢复，所以 PROM 只能进行一次编程。

三. 可擦除的可编程只读存储器

可擦除的可编程只读存储器（EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory）是一种可以多次修改其存储内容的只读存储器。

EPROM 的工作原理基于浮栅 MOS 管。它的存储单元通常由一个浮栅晶体管构成。

在写入数据时，通过施加较高的电压，使电子穿过绝缘层注入到浮栅中，从而改变晶体管的阈值电压，实现数据的写入。

要擦除数据，需要将 EPROM 芯片置于紫外线灯下照射一定时间。紫外线的能量使浮栅中的电子获得足够的能量，穿越绝缘层回到衬底，从而恢复晶体管的初始阈值电压，达到擦除数据的目的。

由于擦除操作需要专门的设备（紫外线灯），并且擦除时间较长，使用起来有一定的局限性。

另一种常见的可擦除可编程只读存储器是电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），它可以通过电信号进行擦除和写入操作，更加方便快捷。

四. 随机存储器

随机存储器（Random Access Memory，RAM）是一种可以随时进行读/写操作的半导体存储器。

RAM 分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。

SRAM 利用触发器来存储数据，只要不断电，数据就能一直保持。它的优点是速度快、稳定性高，但集成度低、成本高。

DRAM 则是利用电容存储电荷来保存数据，由于电容会漏电，所以需要定时刷新来补充电荷以保持数据。DRAM 的优点是集成度高、成本低，但速度相对较慢。

RAM 通常用于存储计算机运行时的程序和数据，如操作系统、应用程序等。由于其可读可写的特性，使得计算机能够对数据进行实时处理和修改。但一旦断电，RAM 中存储的数据就会丢失。

工作原理:

动态随机存储器（DRAM）的工作原理基于电容存储电荷的特性。

DRAM 的存储单元由一个晶体管和一个电容组成。晶体管用于控制电容的充放电，起到开关的作用。

写入数据时，晶体管导通，数据线上的电压被加载到电容上，电容充电或放电以表示“1”或“0”。

读取数据时，晶体管导通，检测电容上的电荷状态，从而确定存储的数据是“1”还是“0”。

由于电容存在漏电现象，电荷会逐渐流失，所以需要定期进行刷新操作。刷新操作会重新将电容充电到原来的状态，以保持数据的准确性。

在 DRAM 中，通过地址线来选择行和列，从而定位到具体的存储单元进行读写操作。

五. 存储器容量的扩展

存储器容量的扩展通常有位扩展、字扩展和字位同时扩展三种方式。

位扩展是指增加存储字长。例如，当单个存储芯片的字长不能满足要求时，可以使用多个芯片并联，将它们的数据线分别连接到数据总线的不同位上，从而实现位扩展。

字扩展是增加存储单元的数量。通过使用多个存储芯片，将它们的地址线、片选线和读写控制线相应连接，以增加总的存储单元数量。

字位同时扩展则是既增加字长又增加存储单元数量。例如，先进行位扩展以增加字长，然后再将多个位扩展后的模块进行字扩展，从而实现字位同时扩展。

在实际应用中，根据具体的存储需求和所使用的存储芯片的规格，选择合适的扩展方式来满足系统对存储器容量的要求。

六. 总结

半导体存储是数字电路中用于数据存储的重要部分，主要包括以下要点：

分类：

1. 随机存取存储器（RAM）：可读可写，包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。
   • SRAM：速度快、稳定性高，但集成度低、成本高。
   • DRAM：集成度高、成本低，但速度较慢，需定时刷新。
2. 只读存储器（ROM）：正常工作时只能读，包括掩膜 ROM、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）等。

存储原理：

1. RAM 中，SRAM 利用触发器存储，DRAM 利用电容存储电荷。
2. ROM 中，不同类型有不同的存储机制，如 PROM 通过熔断熔丝存储数据。

容量扩展：
可通过位扩展（增加字长）、字扩展（增加存储单元数量）、字位同时扩展来满足不同的存储容量需求。

半导体存储在计算机、通信、控制等众多领域发挥着关键作用，为数据的存储和处理提供了基础支持。