半导体存储器,半导体存储器原理图解

半导体存储器,半导体存储器原理图解

半导体存储器是具备可以储存图像数据或文字数据、程序等信息，在必要时取出的功能的器件。

半导体存储器大体分为可高速写入和读取的RAM（Random Access Memory）和主要进行读取用的ROM（Read Only Memory）.

存储器的种类

存储器的各种封装

  电脑系统的存储器分级结构

 █ RAM（Random Access Memory）

RAM包括切断电源后数据就会消失的挥发性DRAM（Dynamic RAM）和SRAM（Static RAM），还有可以保存数据的非挥发性FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM（Magnetic RAM）。

●DRAM（Dynamic RAM）

DRAM的每一个记忆单元（存储单元）由1个晶体管和1个电容器构成，集成度比较好。因此比特单价也比较低，在需要大容量存储器的系统中被广泛使用。

DRAM用电荷将信息存储在电容器内，因此长时间放置不用的话，微小的漏电电流会令信息丢失。因此，需要定期将同一信息再次写入。

这个再次写入的动作叫做更新。此外，由于是一直工作的，因此称为动态RAM。DRAM中很多具有设为待机状态后自动进行更新操作的功能，这称为自更新动作。

DRAM的单元结构基本不变，但单元以外的电路（外围电路）会有不同，可分成SDR、DDR（后面介绍）等产品。

此外，还有用信息包方式读取数据的RDRAM、接口可以和SRAM同等处理的疑似静态SRAM等。

DRAM的存储器单元电路图

DRAM内部的存储范国和外国电路范围

SDRAM（Synchronous DRAM：同步性DRAM）

为了高速执行DRAM的突发大量存取，使数据的读写和时钟同步。

DDR SDRAM（Double Date Rate SDRAM）

为了使同步性DRAM进一步高速化，在时钟的上升和下降同步读取数据。现在，更高性能的DDR-H规格已经成为主流。

  RDRAM（Rambus DRAM）

RDRAM是由美国的Rambus公司提出规格方案的具有高速传输数据特征的DRAM。以往的DRAM根据RAS（Row Address Strobe）、CAS（Column Address Strobe）等控制端子的输入时间来规定动作。

RDRAM中，没有这些控制端子以及地址输入端子，被称为和时钟同步的要求信息包的数据（命令）传输到存储器内，根据该命令执行读取、写入动作。

该动作叫做协议方式。在使用协议方面，RDRAM和以往的DRAM有很大的不同。现在已经开发出从RDRAM发展而来的XDRDRAM，并得到实际应用。

SRAM（Static RAM）

SRAM在存储器单元中使用正反器（flip-flop）电路，如图所示由6个晶体管或4个晶体管和2个电阻构成，因此和由1个晶体管和1个电容器构成的DRAM相比，在大容量化方面较差，但不必刷新，因此可以用于对抗外部干扰能力也需要非常强的大容量存储器的系统。

SRAM根据其用途，分为低耗电量且存取时间较慢的产品（低耗电量SRAM）和要求高速性的产品（高速SRAM）。

SRAM的用途

低耗电量SRAM用于手机、便携式信息末端等主要由电池进行驱动的设备中。

SRAM分为非同步型和同步型，前者用于内存测试器和工业用测量仪器等的缓冲器。同步型起初是作为计算机等的高速缓冲存储器而开发出脉冲突发式产品，后来电脑用的CPU开始可以内置2次高速缓冲存储器，因此其主要用途也转移到网络相关设备上。

由于因特网的宽带化、LAN的高速化，通讯设备需要进行大量的数据通讯，因此需要高速、大容量的数据缓冲。此外，还开发出了适合通讯设备的同步型SRAM。

SRAM单元的结构（6个晶体管）

SRAM单元的结构（4个晶体管+电阻）

FeRAM（Ferroelectric(强电介质)RAM）

FeRAM的结构和DRAM相同，但电容部分是用强导电体材料制成的。DRAM是将电荷储存在电容器内来保存数据的，而FeRAM的强导电体材料的残留极性电压为+或-并保持，然后通过读取其状态来判断1还是0.残留极性电压在电源切断后也能保持，因此是非挥发性的。

MRAM（Magnetic磁性体）

RAM）MRAM在存储器件中适用磁性体。被磁化的元件上面的布线通电时，磁场方向会改变布线的电阻，利用这一原理来保存数据。

ROM分为在制造工程中写入数据的掩模ROM和成为产品后仍可以写入的PROM（EPROM、EEPROM、闪存）。

●掩模ROM

掩模ROM使用基于用户的数据制作而成的IC制造用掩模来写入数据。其比特成本最便宜，适合于大量生产。

掩模ROM用于游戏机卡匣式、便携式信息末端内搭载的汉字等字节（汉字ROM）、电子辞典用等大量生产且不需要覆盖写入数据的用途。

●EPROM（Erasable Programmable ROM：可擦除可编程ROM）

EPROM的用户使用写入装置来写入数据，照射紫外线能擦除数据。因此，封装上有石英玻璃的小窗。

EPROM的封装比较贵，累此批量生产时使用将同样的芯片封入塑料封装，只能写入一次（无法消去）的OTP（One Time PROM）。

EPROM可以用于产品开发时来调试程序和数据，但闪存实现量产后其使命也已告终。

●EEPROM（Electrical EPROM:可电力擦除可编程ROM）

EEPROM是可以电气性擦除数据的PROM。写入/擦除以字节为单位，因此覆盖写入/擦除时间较长。而且，电路复杂，且难以大容量化，累此主要为数K到数百K位的产品。

●闪存（Flash Memory）

可以电气性擦除数据，但擦除时以块为单位或芯片为单位。块的大小从数K字节到数百K字节，因为其可以将大量数据一次性擦除，因此比喻为照相的闪光灯，称为闪存。

●NOR闪存

NOR型随机存取速度快，主要用于称为固件的程序储存用，被广泛应用于计算机、打印机等信息设备，以及手机、数字电视、游戏机等用途。写入单位和EEPROM一样，为字节或字节。

●NAND闪存

NAND闪存单元容量小，具有较好的集成度。因此，可以简单的进行大容量化，并且比特成本也便宜，所以适合存储卡等的文件存储用途。

写入/读取以512字节到4K字节的页为单位进行。因此和NOR闪存相比，写入/读取更高速，适合大量数据的保存。

NAND闪存被广泛应用于作为存储设备的SD存储卡、小型闪存（CF）等小型存储卡和USB闪存盘等桥梁媒体，以及数码相机、音乐播放器、音频录音机等需要大容量的用途。

NAND  Flash的应用产品

NOR、NAND闪存单元的结构比较

NOR、NAND闪存单元的尺寸比较

SD存储卡

miniS存储卡

USB闪存盘

MCP（Multi-Chip Package）

MCP是在1个封装内集成了多个存储芯片的产品。手机伴随着其高性能化，需要在小型空间内搭载很多存储器。MCP因此应运而生。

起初是将低耗电SRAM和NOR闪存组合起来，后来手机相机的像素超过了百万，并且开始处理音乐数据，因此开始搭载容量更大的DRAM和NAND闪存。

图中的例子就是将3个NAND闪存和SDRAM、疑似SRAM、NOR闪存集成到了一个封装内的MCP。

MCP的结构例

将模拟信号处理和数字信号处理混载在一块芯片上的IC、LSI的开发在不断发展。

电子设备的信号处理，正从以往的模拟电路迅速向数字化发展。但是，高频放大电路、振荡电路、传感器输入电路、电源电路、马达驱动电路等电力处理电路、或者模拟数字接口电路都是模拟电路。因此，也存在各类用于模拟电路的模拟IC、LSI。

可以同时搭载模拟信号电路和数字信号电路的复合器件技术正在开发中。

使用该技术，就可以将电子设备的输入部分和信号处理部分、输出部分等需要模拟、数字双信号处理的电路集成在一块芯片上。

这种技术的代表性展开有可以混载双极线性技术和CMOS逻辑技术的BiCMOS技术，以及在模拟电路和数字电路的基础上可以进一步加载电源电路的IPD（Intelligent Power Device）技术等。

下图就是利用混载技术实现了低耗电、简易快速控制功能的驱动IC。可以用于打印机、FAX等各类OA设备、FA设备的DC电刷马达驱动。

高频电路（RF电路）中，原有的砷化镓（GaAs）等化合物半导体正逐渐被SiGeHBT和CMOS混载技术或者模拟CMOS技术所取代。利用这些技术，我们正在开发混载RF部分和基极带信号处理的单芯片IC。

DC马达用全桥式驱动器IC的方框图

通用模拟IC（线性IC）

运算放大器、比较器、电源IC等一般被称为常用品的线性IC。

专用模拟IC/LSI

指开发为设备专用的模拟、或模拟数字混载的IC/LSI，被WSTS（World Semiconductor Trade Statistics）分为右述的4种。

模拟IC、模拟数字混载IC的分类

█ 运算放大器、比较器

运算放大器（Operational Amplifier：运算放大器）是具有差动输入的高增益放大器，是典型的模拟IC。由于具有高增益，因此如果不加负反馈的话也可作为比较器（电压比较电路）来工作。

运算放大器的动作、用途

运算放大器的输入如图所示有IN（-）和IN（+）2种。将输入间电位差Vin(+)-Vin(-)放大并输出。因此，如果通过输出和负输入（IN（-））间外接的电阻、电容等加负反馈使用的话，负输入会出现和正输入电压基本相同的电压（叫做虚短路），和正输入信号同样动作。

利用该特性，除了电压放大器、缓冲器、反转放大器以外，还能进行微分、积分等模拟信号的运算处理。

运算放大器的特性

理想的运算放大器的条件如下所示：

1）  电压放大幅度：Gv为无限大

2）  输入阻抗：Zin为无限大

3）  输出阻抗为零

4）  频率带宽从零（直流）到无限大

5）  内部杂音为零

运算放大器的代表性使用方法

如右图所示可以方便地设计非反转、反转放大电路。各放大电路的电压放大幅度分别为：

比较器

放大器具有高增益，因此如果不加负反馈的话还能作为比较器（电压比较电路）工作。也有比较器专用的产品。比较器的符号和放大器相同。

运算放大器、比较器的种类

从制造程序看，一般有双极结构和CMOS结构的器件。如图所示，各有优缺点，现在LSI的电源电压降低了，因此输入输出可以从0到VDD的CMOS放大器（就是所谓的Rail to Rail）越来越多了。

注释：输入端偏移电压为输出电压为零时的输入端子间电压。理想的运算放大器为零。

运算放大器、比较器的图形记录

运算放大器的等效电路（4558的例子）

理想的运算放大器

非反转、反转放大电路的基本

双级结构和CMOS结构的比较

芯片型运算放大器、比较器

█ AD、DA转换器

AD转换器是将模拟信号转换为数字信号，DA器是将数字信号转换为模拟信号。是为了连接进行放大器等的模拟输入输出和数字处理的微型控制器等数字输入输出的功能电路。

AD、DA转换器的基本

温度、温度、磁场等和我们生活相关的自然界变化是模拟量，用微控制器等对这些模拟量进行数字信号处理时，必须将这些模拟量转换为数字量。反过来，我们还必须将微控制器等处理好的数字信号输出转换为我们容易使用的模拟量。

AD转换器

将模拟量转换为数字量有几种方法。一种是将模拟量用电压取出，用基准电压和AD转换器内部的多个电阻，或者数字处理方法，和产生的比特对应电压进行比较（并联比较型、逐次比较型），还可以产生和时钟数成比例的倾斜状电压，将其和输入电压进行比较，根据一致时的时钟数来读取的方法（积分型）等。

DA转换器

将数字量转换为模拟量的方法也有几种，一般是梯状电阻型。利用基准电压和电阻网，在各个比特上形成重叠的定电流源。将该电流用数字代码相加，并转换电压，从而输出模拟信号。

最近的AD、DA（△∑或∑△）转换器

通过重复采样技术、噪声整形技术，使用简单的1比特DAC，就能作出高精度、高比特的AD、DA转换器。这种方法和原有电阻分割等的AD转换器相比，其特点是需要高速进行复杂运算的数字处理，但对于模拟电路参数的参差不齐和经时变化的容许度比较高。

LSI进程的微细化使得我们能方便、低价地实现这样复杂、高速的系统。

△∑调制如名字所示是进行微分、积分运算的比特压缩/伸展技术，就是通过在输入端以高频将1比特出现的大

量量子化误差反复进行负反馈，从而缩小其输出平均误差的方法。

（1）基于△调制的信号生成原理（△调制符号化方式）如图所示。

（2）基于△∑调制的信号生成原理

△调制得到的比特信号显示了输入波形的微分值，因此如果事先将模拟输入信号进行积分的话就能生成原信号的“对应振幅的符号列”。

1次△调制信号波形

1次△∑调制的方框图

█ 电源用IC

电源用IC是针对输入电压的变动，输出负荷电流的变动，始终供给一定电压输出的单芯片IC。有线性电源（串联稳压器、并联稳压器）和开关电源、充电泵型电源3种。

线性电源

串联稳压器

由基准电压源、负反馈电压放大器、输出段、反馈电阻等构成。在输入电源和负荷之间插入的功率晶体管作为可变电阻器使用，通过负反馈动作，控制输出电压保持在一定值。

LDO（低饱和型蝐联稳压器）的输出晶体管使用PNP电源晶体管甚至PMOSFET，是降低了输入输出间电压的串联稳压器。

可以降低耗电量

并联稳压器

和串联稳压器不同，1次电源和负荷之间使用外部的固定电阻，将并列插入负荷的功率器件作为可变电阻器使用，通过负反馈动作将输出电压控制在一定值。主要用做AC-DC电源系统的一部分。

开关电源

调整功率晶体管的开关周期，从输入电压源将电能积蓄在电感器中，提供给输出电容器。通过负反馈动作将输出电压控制在一定值。通过开关和电容器和二极管的组合，基本上可以分为3种开关稳压器（降压型、升压型、升降压型）。

POL（Point Of Local）：

是一种为了对应MPUL等LSI的低压化、大电流化，靠近各LSI配置大电流输出、高速应答的DC-DC转换器，不通过输出电容器，可以DC-DC转换器本身的高速应答特性来对应负载变化的DC转换器。这种用途的DC-DC转换器就叫做POL。多同步整流、相位/交错方式是主流。开关稳压器和线性稳压器不同，特点是电力损失少，但缺点是开关噪声易进入，外部电路比较复杂。此外，串联稳压器的效率比较低，但输出比较平滑。

充电泵型DC-DC转换器

MOSFET和多个电容器构成的充电泵型DC-DC转换器不使用电感线圏，因此外部电路比较简单，可以实现小型化。此外还能减少移动无线设备中容易出现的EMI（电磁辐射干扰）。

主要用于电流相对较小的行业、输出电流5-500mA的行业。

线性电流的基本结构

低饱和型稳压压器（LDO）的方框图

开关稳压器的基本结构

多同步整流、位向/交错DC-DC转换器

同步整流降压DC-DC转换器

晶体管阵列

晶体管阵列是指一般情况下1个封装内搭载多个相同的晶体管的情况。

使用目的

通过使用1个封装内搭载多个相同器件的晶体管阵列，可以将机器内的搭载空间最小化，实现小型化。驱动7段LED等情况时，又很多相同电路，必须有多个控制晶体管。像这样时，可以采用晶体管阵列，减少零部件个数。

种 类

晶体管阵列中根据搭载的器件数和连接方式不同，可以分为以下几种。

1）  搭载器件数

3个器件、4个器件、6个器件

2）  连接方式

全器件分离型

集电极共通连接型

发射极共通连接型

2个器件、3个器件连接型

用 途

晶体管阵列作为螺线管驱动器，用于点阵式打印机或自动售货机等继电器驱动的驱动器电路、LED驱动器电路、步进马达驱动器电路等。

晶体管陈列的种类

马达驱动器IC

用于民生机器、工业机器、OA机器等的小型马达驱动使用马达驱动器IC。用于马达的正转、反转、制动以及速度控制。

马达的分类/特征

小型马达主要分为以下几类，各自有专用的马达驱动器IC正在开发中。小型马达中有DC马达（带有电刷的马达）、霍汞马达（无DC电刷马达）、步进马达等，各自专用的驱动器IC、控制用IC正在开发中。

和为驱动用IC，大多采用输入马达正转、反旋转以及制动动作的逻辑信号进行控制的方式，还有通过驱动电源电压控制旋转速度（DC马达）、通过输入的时钟信号的频率进行控制（步进马达）等方法。

目前还在开发PLL（Phase Locked Loop）用IC，作为高精度旋转控制用。

马达驱动器IC的外观

步进马达驱动电器

高频用BiCMOS IC

指在一块硅结晶基板上集成了高频动作、低噪音的双极集成电路和适合于低耗电量的CMOS集成电路的一种IC。主要和于移支体通信设备等高频部分。

特 征

BiCMOS IC中搭载着构成模拟电路的双极晶体管、电容器、电阻和逻辑电路的CMOS。为了在同一硅基板上做成双极电路和CMOS电路，制造法是比较复杂的，但可以将双极晶体管高速性的模拟电路和低耗电量的控制逻辑电路集成在一块芯片上。

IC照片

芯片照片

BiCMOS IC的结构图

显示器用驱动器IC

在平面显示器中分为非发光型有LCD（液晶显示器）、发光型有LED（发光二极管显示器）、PDP（等离子显示器）等，采用各自适合的专用驱动器。

非发光型中有低温多硅型LCD、发光型中有有机EL面板型

平面显示器驱动器IC的分类

LCD面板的驱动方式

何谓TFT（Thin Film Transister）

液晶显示器方式的一中，采用薄膜状的晶体管。在玻璃基板上通过非晶硅等构筑的晶体管驱动液晶。

TFT驱动器IC

由源极驱动器和栅极驱动器构成，适合大画面、高画质、动画显示的TFT面板驱动IC。

TFT面板的方框图

TCP封装的LCD驱动器IC

何谓STN（Super Twisted Nematic）

液晶显示器方式的一种。由于使用单纯矩阵方式，因此制造成本较便宜，但显示质量没有TFT好。

STN驱动器IC

驱动STN面板的IC，由段驱动器和共通驱动器构成，特点是低价、低耗电。

恒定电流输出（共阴极）型LED驱动器

1）8-16位的移位寄存器结构

由闩锁、控制部分、输出部分构成，主要使用BiCMOS制程。

2）  恒定电流输出型的特征

现在的主流为恒定电流输出型。可以用1个外置电阻设定所有输出电流，因此可以削减零部件个数。因为是恒定输出电流，因此难以受到电源电压的影响，可抑制亮度的不均。

3）  恒定电压输出型的特征

恒定电压输出型用于想在每次输出时改变输出电流时，或在输出端外加高电压时。

PDP驱动器和特征

何谓PDP（Plasma Display Panel）

2指在2块玻璃之间封入氦、氖等高压气体，通过外加一百几十V的电压使其发光的显示装置。

PDP驱动器IC

PDP为了向面板内像素里的气体放电，从而使荧光体发光，由用于发光显示的高压脉冲驱动驱动器及用于显示数据控制的数据驱动器、扫描驱动器等构成，有时也被模块化。

特 征

和其他方式比较，特点是对比度高，视角广。因为其容易大型化，因此一般用于挂壁式电视机等用途。

PDP的结构

PDP驱动的方框图

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