半導體存儲器,半導體存儲器原理圖解

半導體存儲器是具備可以儲存圖像數據或文字數據、程序等信息，在必要時取出的功能的器件。

半導體存儲器大體分為可高速寫入和讀取的RAM（Random Access Memory）和主要進行讀取用的ROM（Read Only Memory）.

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存儲器的種類

存儲器的各種封裝

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? 電腦系統的存儲器分級結構

?█?RAM（Random Access Memory）

RAM包括切斷電源后數據就會消失的揮發性DRAM（Dynamic RAM）和SRAM（Static RAM），還有可以保存數據的非揮發性FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM（Magnetic RAM）。

●DRAM（Dynamic RAM）

DRAM的每一個記憶單元（存儲單元）由1個晶體管和1個電容器構成，集成度比較好。因此比特單價也比較低，在需要大容量存儲器的系統中被廣泛使用。

DRAM用電荷將信息存儲在電容器內，因此長時間放置不用的話，微小的漏電電流會令信息丟失。因此，需要定期將同一信息再次寫入。

這個再次寫入的動作叫做更新。此外，由于是一直工作的，因此稱為動態RAM。DRAM中很多具有設為待機狀態后自動進行更新操作的功能，這稱為自更新動作。

DRAM的單元結構基本不變，但單元以外的電路（外圍電路）會有不同，可分成SDR、DDR（后面介紹）等產品。

此外，還有用信息包方式讀取數據的RDRAM、接口可以和SRAM同等處理的疑似靜態SRAM等。

DRAM的存儲器單元電路圖

DRAM內部的存儲范國和外國電路范圍

SDRAM（Synchronous DRAM：同步性DRAM）

為了高速執行DRAM的突發大量存取，使數據的讀寫和時鐘同步。

DDR SDRAM（Double Date Rate SDRAM）

為了使同步性DRAM進一步高速化，在時鐘的上升和下降同步讀取數據。現在，更高性能的DDR-H規格已經成為主流。

? RDRAM（Rambus DRAM）

RDRAM是由美國的Rambus公司提出規格方案的具有高速傳輸數據特征的DRAM。以往的DRAM根據RAS（Row Address Strobe）、CAS（Column Address Strobe）等控制端子的輸入時間來規定動作。

RDRAM中，沒有這些控制端子以及地址輸入端子，被稱為和時鐘同步的要求信息包的數據（命令）傳輸到存儲器內，根據該命令執行讀取、寫入動作。

該動作叫做協議方式。在使用協議方面，RDRAM和以往的DRAM有很大的不同。現在已經開發出從RDRAM發展而來的XDRDRAM，并得到實際應用。

SRAM（Static RAM）

SRAM在存儲器單元中使用正反器（flip-flop）電路，如圖所示由6個晶體管或4個晶體管和2個電阻構成，因此和由1個晶體管和1個電容器構成的DRAM相比，在大容量化方面較差，但不必刷新，因此可以用于對抗外部干擾能力也需要非常強的大容量存儲器的系統。

SRAM根據其用途，分為低耗電量且存取時間較慢的產品（低耗電量SRAM）和要求高速性的產品（高速SRAM）。

SRAM的用途

低耗電量SRAM用于手機、便攜式信息末端等主要由電池進行驅動的設備中。

SRAM分為非同步型和同步型，前者用于內存測試器和工業用測量儀器等的緩沖器。同步型起初是作為計算機等的高速緩沖存儲器而開發出脈沖突發式產品，后來電腦用的CPU開始可以內置2次高速緩沖存儲器，因此其主要用途也轉移到網絡相關設備上。

由于因特網的寬帶化、LAN的高速化，通訊設備需要進行大量的數據通訊，因此需要高速、大容量的數據緩沖。此外，還開發出了適合通訊設備的同步型SRAM。

SRAM單元的結構（6個晶體管）

SRAM單元的結構（4個晶體管+電阻）

FeRAM（Ferroelectric(強電介質)RAM）

FeRAM的結構和DRAM相同，但電容部分是用強導電體材料制成的。DRAM是將電荷儲存在電容器內來保存數據的，而FeRAM的強導電體材料的殘留極性電壓為+或-并保持，然后通過讀取其狀態來判斷1還是0.殘留極性電壓在電源切斷后也能保持，因此是非揮發性的。

MRAM（Magnetic磁性體）

RAM）MRAM在存儲器件中適用磁性體。被磁化的元件上面的布線通電時，磁場方向會改變布線的電阻，利用這一原理來保存數據。

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ROM分為在制造工程中寫入數據的掩模ROM和成為產品后仍可以寫入的PROM（EPROM、EEPROM、閃存）。

●掩模ROM

掩模ROM使用基于用戶的數據制作而成的IC制造用掩模來寫入數據。其比特成本最便宜，適合于大量生產。

掩模ROM用于游戲機卡匣式、便攜式信息末端內搭載的漢字等字節（漢字ROM）、電子辭典用等大量生產且不需要覆蓋寫入數據的用途。

●EPROM（Erasable Programmable ROM：可擦除可編程ROM）

EPROM的用戶使用寫入裝置來寫入數據，照射紫外線能擦除數據。因此，封裝上有石英玻璃的小窗。

EPROM的封裝比較貴，累此批量生產時使用將同樣的芯片封入塑料封裝，只能寫入一次（無法消去）的OTP（One Time PROM）。

EPROM可以用于產品開發時來調試程序和數據，但閃存實現量產后其使命也已告終。

●EEPROM（Electrical EPROM:可電力擦除可編程ROM）

EEPROM是可以電氣性擦除數據的PROM。寫入/擦除以字節為單位，因此覆蓋寫入/擦除時間較長。而且，電路復雜，且難以大容量化，累此主要為數K到數百K位的產品。

●閃存（Flash Memory）

可以電氣性擦除數據，但擦除時以塊為單位或芯片為單位。塊的大小從數K字節到數百K字節，因為其可以將大量數據一次性擦除，因此比喻為照相的閃光燈，稱為閃存。

●NOR閃存

NOR型隨機存取速度快，主要用于稱為固件的程序儲存用，被廣泛應用于計算機、打印機等信息設備，以及手機、數字電視、游戲機等用途。寫入單位和EEPROM一樣，為字節或字節。

●NAND閃存

NAND閃存單元容量小，具有較好的集成度。因此，可以簡單的進行大容量化，并且比特成本也便宜，所以適合存儲卡等的文件存儲用途。

寫入/讀取以512字節到4K字節的頁為單位進行。因此和NOR閃存相比，寫入/讀取更高速，適合大量數據的保存。

NAND閃存被廣泛應用于作為存儲設備的SD存儲卡、小型閃存（CF）等小型存儲卡和USB閃存盤等橋梁媒體，以及數碼相機、音樂播放器、音頻錄音機等需要大容量的用途。

NAND? Flash的應用產品

NOR、NAND閃存單元的結構比較

NOR、NAND閃存單元的尺寸比較

SD存儲卡

miniS存儲卡

USB閃存盤

MCP（Multi-Chip Package）

MCP是在1個封裝內集成了多個存儲芯片的產品。手機伴隨著其高性能化，需要在小型空間內搭載很多存儲器。MCP因此應運而生。

起初是將低耗電SRAM和NOR閃存組合起來，后來手機相機的像素超過了百萬，并且開始處理音樂數據，因此開始搭載容量更大的DRAM和NAND閃存。

圖中的例子就是將3個NAND閃存和SDRAM、疑似SRAM、NOR閃存集成到了一個封裝內的MCP。

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MCP的結構例

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將模擬信號處理和數字信號處理混載在一塊芯片上的IC、LSI的開發在不斷發展。

電子設備的信號處理，正從以往的模擬電路迅速向數字化發展。但是，高頻放大電路、振蕩電路、傳感器輸入電路、電源電路、馬達驅動電路等電力處理電路、或者模擬數字接口電路都是模擬電路。因此，也存在各類用于模擬電路的模擬IC、LSI。

可以同時搭載模擬信號電路和數字信號電路的復合器件技術正在開發中。

使用該技術，就可以將電子設備的輸入部分和信號處理部分、輸出部分等需要模擬、數字雙信號處理的電路集成在一塊芯片上。

這種技術的代表性展開有可以混載雙極線性技術和CMOS邏輯技術的BiCMOS技術，以及在模擬電路和數字電路的基礎上可以進一步加載電源電路的IPD（Intelligent Power Device）技術等。

下圖就是利用混載技術實現了低耗電、簡易快速控制功能的驅動IC。可以用于打印機、FAX等各類OA設備、FA設備的DC電刷馬達驅動。

高頻電路（RF電路）中，原有的砷化鎵（GaAs）等化合物半導體正逐漸被SiGeHBT和CMOS混載技術或者模擬CMOS技術所取代。利用這些技術，我們正在開發混載RF部分和基極帶信號處理的單芯片IC。

DC馬達用全橋式驅動器IC的方框圖

通用模擬IC（線性IC）

運算放大器、比較器、電源IC等一般被稱為常用品的線性IC。

專用模擬IC/LSI

指開發為設備專用的模擬、或模擬數字混載的IC/LSI，被WSTS（World Semiconductor Trade Statistics）分為右述的4種。

模擬IC、模擬數字混載IC的分類

█ 運算放大器、比較器

運算放大器（Operational Amplifier：運算放大器）是具有差動輸入的高增益放大器，是典型的模擬IC。由于具有高增益，因此如果不加負反饋的話也可作為比較器（電壓比較電路）來工作。

運算放大器的動作、用途

運算放大器的輸入如圖所示有IN（-）和IN（+）2種。將輸入間電位差Vin(+)-Vin(-)放大并輸出。因此，如果通過輸出和負輸入（IN（-））間外接的電阻、電容等加負反饋使用的話，負輸入會出現和正輸入電壓基本相同的電壓（叫做虛短路），和正輸入信號同樣動作。

利用該特性，除了電壓放大器、緩沖器、反轉放大器以外，還能進行微分、積分等模擬信號的運算處理。

運算放大器的特性

理想的運算放大器的條件如下所示：

1）? 電壓放大幅度：Gv為無限大

2）? 輸入阻抗：Zin為無限大

3）? 輸出阻抗為零

4）? 頻率帶寬從零（直流）到無限大

5）? 內部雜音為零

運算放大器的代表性使用方法

如右圖所示可以方便地設計非反轉、反轉放大電路。各放大電路的電壓放大幅度分別為：

比較器

放大器具有高增益，因此如果不加負反饋的話還能作為比較器（電壓比較電路）工作。也有比較器專用的產品。比較器的符號和放大器相同。

運算放大器、比較器的種類

從制造程序看，一般有雙極結構和CMOS結構的器件。如圖所示，各有優缺點，現在LSI的電源電壓降低了，因此輸入輸出可以從0到VDD的CMOS放大器（就是所謂的Rail to Rail）越來越多了。

注釋：輸入端偏移電壓為輸出電壓為零時的輸入端子間電壓。理想的運算放大器為零。

運算放大器、比較器的圖形記錄

運算放大器的等效電路（4558的例子）

理想的運算放大器

非反轉、反轉放大電路的基本

雙級結構和CMOS結構的比較

芯片型運算放大器、比較器

█ AD、DA轉換器

AD轉換器是將模擬信號轉換為數字信號，DA器是將數字信號轉換為模擬信號。是為了連接進行放大器等的模擬輸入輸出和數字處理的微型控制器等數字輸入輸出的功能電路。

AD、DA轉換器的基本

溫度、溫度、磁場等和我們生活相關的自然界變化是模擬量，用微控制器等對這些模擬量進行數字信號處理時，必須將這些模擬量轉換為數字量。反過來，我們還必須將微控制器等處理好的數字信號輸出轉換為我們容易使用的模擬量。

AD轉換器

將模擬量轉換為數字量有幾種方法。一種是將模擬量用電壓取出，用基準電壓和AD轉換器內部的多個電阻，或者數字處理方法，和產生的比特對應電壓進行比較（并聯比較型、逐次比較型），還可以產生和時鐘數成比例的傾斜狀電壓，將其和輸入電壓進行比較，根據一致時的時鐘數來讀取的方法（積分型）等。

DA轉換器

將數字量轉換為模擬量的方法也有幾種，一般是梯狀電阻型。利用基準電壓和電阻網，在各個比特上形成重疊的定電流源。將該電流用數字代碼相加，并轉換電壓，從而輸出模擬信號。

最近的AD、DA（△∑或∑△）轉換器

通過重復采樣技術、噪聲整形技術，使用簡單的1比特DAC，就能作出高精度、高比特的AD、DA轉換器。這種方法和原有電阻分割等的AD轉換器相比，其特點是需要高速進行復雜運算的數字處理，但對于模擬電路參數的參差不齊和經時變化的容許度比較高。

LSI進程的微細化使得我們能方便、低價地實現這樣復雜、高速的系統。

△∑調制如名字所示是進行微分、積分運算的比特壓縮/伸展技術，就是通過在輸入端以高頻將1比特出現的大

量量子化誤差反復進行負反饋，從而縮小其輸出平均誤差的方法。

（1）基于△調制的信號生成原理（△調制符號化方式）如圖所示。

（2）基于△∑調制的信號生成原理

△調制得到的比特信號顯示了輸入波形的微分值，因此如果事先將模擬輸入信號進行積分的話就能生成原信號的“對應振幅的符號列”。

1次△調制信號波形

1次△∑調制的方框圖

█ 電源用IC

電源用IC是針對輸入電壓的變動，輸出負荷電流的變動，始終供給一定電壓輸出的單芯片IC。有線性電源（串聯穩壓器、并聯穩壓器）和開關電源、充電泵型電源3種。

線性電源

串聯穩壓器

由基準電壓源、負反饋電壓放大器、輸出段、反饋電阻等構成。在輸入電源和負荷之間插入的功率晶體管作為可變電阻器使用，通過負反饋動作，控制輸出電壓保持在一定值。

LDO（低飽和型蝐聯穩壓器）的輸出晶體管使用PNP電源晶體管甚至PMOSFET，是降低了輸入輸出間電壓的串聯穩壓器。

可以降低耗電量

并聯穩壓器

和串聯穩壓器不同，1次電源和負荷之間使用外部的固定電阻，將并列插入負荷的功率器件作為可變電阻器使用，通過負反饋動作將輸出電壓控制在一定值。主要用做AC-DC電源系統的一部分。

開關電源

調整功率晶體管的開關周期，從輸入電壓源將電能積蓄在電感器中，提供給輸出電容器。通過負反饋動作將輸出電壓控制在一定值。通過開關和電容器和二極管的組合，基本上可以分為3種開關穩壓器（降壓型、升壓型、升降壓型）。

POL（Point Of Local）：

是一種為了對應MPUL等LSI的低壓化、大電流化，靠近各LSI配置大電流輸出、高速應答的DC-DC轉換器，不通過輸出電容器，可以DC-DC轉換器本身的高速應答特性來對應負載變化的DC轉換器。這種用途的DC-DC轉換器就叫做POL。多同步整流、相位/交錯方式是主流。開關穩壓器和線性穩壓器不同，特點是電力損失少，但缺點是開關噪聲易進入，外部電路比較復雜。此外，串聯穩壓器的效率比較低，但輸出比較平滑。

充電泵型DC-DC轉換器

MOSFET和多個電容器構成的充電泵型DC-DC轉換器不使用電感線圏，因此外部電路比較簡單，可以實現小型化。此外還能減少移動無線設備中容易出現的EMI（電磁輻射干擾）。

主要用于電流相對較小的行業、輸出電流5-500mA的行業。

線性電流的基本結構

低飽和型穩壓壓器（LDO）的方框圖

開關穩壓器的基本結構

多同步整流、位向/交錯DC-DC轉換器

同步整流降壓DC-DC轉換器

晶體管陣列

晶體管陣列是指一般情況下1個封裝內搭載多個相同的晶體管的情況。

使用目的

通過使用1個封裝內搭載多個相同器件的晶體管陣列，可以將機器內的搭載空間最小化，實現小型化。驅動7段LED等情況時，又很多相同電路，必須有多個控制晶體管。像這樣時，可以采用晶體管陣列，減少零部件個數。

種 類

晶體管陣列中根據搭載的器件數和連接方式不同，可以分為以下幾種。

1）? 搭載器件數

3個器件、4個器件、6個器件

2）? 連接方式

全器件分離型

集電極共通連接型

發射極共通連接型

2個器件、3個器件連接型

用 途

晶體管陣列作為螺線管驅動器，用于點陣式打印機或自動售貨機等繼電器驅動的驅動器電路、LED驅動器電路、步進馬達驅動器電路等。

晶體管陳列的種類

馬達驅動器IC

用于民生機器、工業機器、OA機器等的小型馬達驅動使用馬達驅動器IC。用于馬達的正轉、反轉、制動以及速度控制。

馬達的分類/特征

小型馬達主要分為以下幾類，各自有專用的馬達驅動器IC正在開發中。小型馬達中有DC馬達（帶有電刷的馬達）、霍汞馬達（無DC電刷馬達）、步進馬達等，各自專用的驅動器IC、控制用IC正在開發中。

和為驅動用IC，大多采用輸入馬達正轉、反旋轉以及制動動作的邏輯信號進行控制的方式，還有通過驅動電源電壓控制旋轉速度（DC馬達）、通過輸入的時鐘信號的頻率進行控制（步進馬達）等方法。

目前還在開發PLL（Phase Locked Loop）用IC，作為高精度旋轉控制用。

馬達驅動器IC的外觀

步進馬達驅動電器

高頻用BiCMOS IC

指在一塊硅結晶基板上集成了高頻動作、低噪音的雙極集成電路和適合于低耗電量的CMOS集成電路的一種IC。主要和于移支體通信設備等高頻部分。

特 征

BiCMOS IC中搭載著構成模擬電路的雙極晶體管、電容器、電阻和邏輯電路的CMOS。為了在同一硅基板上做成雙極電路和CMOS電路，制造法是比較復雜的，但可以將雙極晶體管高速性的模擬電路和低耗電量的控制邏輯電路集成在一塊芯片上。

IC照片

芯片照片

BiCMOS IC的結構圖

顯示器用驅動器IC

在平面顯示器中分為非發光型有LCD（液晶顯示器）、發光型有LED（發光二極管顯示器）、PDP（等離子顯示器）等，采用各自適合的專用驅動器。

非發光型中有低溫多硅型LCD、發光型中有有機EL面板型

平面顯示器驅動器IC的分類

LCD面板的驅動方式

何謂TFT（Thin Film Transister）

液晶顯示器方式的一中，采用薄膜狀的晶體管。在玻璃基板上通過非晶硅等構筑的晶體管驅動液晶。

TFT驅動器IC

由源極驅動器和柵極驅動器構成，適合大畫面、高畫質、動畫顯示的TFT面板驅動IC。

TFT面板的方框圖

TCP封裝的LCD驅動器IC

何謂STN（Super Twisted Nematic）

液晶顯示器方式的一種。由于使用單純矩陣方式，因此制造成本較便宜，但顯示質量沒有TFT好。

STN驅動器IC

驅動STN面板的IC，由段驅動器和共通驅動器構成，特點是低價、低耗電。

恒定電流輸出（共陰極）型LED驅動器

1）8-16位的移位寄存器結構

由閂鎖、控制部分、輸出部分構成，主要使用BiCMOS制程。

2）? 恒定電流輸出型的特征

現在的主流為恒定電流輸出型。可以用1個外置電阻設定所有輸出電流，因此可以削減零部件個數。因為是恒定輸出電流，因此難以受到電源電壓的影響，可抑制亮度的不均。

3）? 恒定電壓輸出型的特征

恒定電壓輸出型用于想在每次輸出時改變輸出電流時，或在輸出端外加高電壓時。

PDP驅動器和特征

何謂PDP（Plasma Display Panel）

2指在2塊玻璃之間封入氦、氖等高壓氣體，通過外加一百幾十V的電壓使其發光的顯示裝置。

PDP驅動器IC

PDP為了向面板內像素里的氣體放電，從而使熒光體發光，由用于發光顯示的高壓脈沖驅動驅動器及用于顯示數據控制的數據驅動器、掃描驅動器等構成，有時也被模塊化。

特 征

和其他方式比較，特點是對比度高，視角廣。因為其容易大型化，因此一般用于掛壁式電視機等用途。

PDP的結構

PDP驅動的方框圖

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