内容简介
《现代半导体存储器系统及其应用》是基于湖北工业大学芯片产业学院“信息存储技术”课程多年的教学实践精华与讲义智慧精心编撰而成，深刻贯彻产教融合的教育理念，旨在平衡理论深度与实践应用的双重需求。
《现代半导体存储器系统及其应用》深度剖析主流半导体存储器（SRAM、DRAM、ROM、Flash）及四种新型存储器（RRAM、FeRAM、PRAM、MRAM），不仅系统阐述这些存储技术在材料、器件结构、机理、性能及应用等方面的核心知识，还重点介绍*新的技术研究成果、技术发展脉络、面临的关键挑战、*新应用领域及未来的发展趋势。
精彩书摘
第1部分基础篇
第1章绪论
本章教学目标与要求
了解存储技术的发展历程。
熟悉存储器的相关概念。
理解存储器的主要性能指标及多级存储系统。
掌握现代存储器的分类与各自特征。
了解存储器技术的发展趋势。
进入21世纪，以计算机科学与互联网技术为引领的信息技术革命，正以前所未有的速度和广度，深刻影响着全球的政治、经济、文化、军事及科技格局，也极大推动了科学技术的进步，塑造了一个全新的信息时代[1]。在这个时代里，视频、音频、图像与文本等多种形式的数据文件，如同信息时代的细胞，广泛渗透并深刻影响着人们的日常生活、工作学习乃至社会交往的每一个角落。数据的保存与管理，是信息技术得以持续发展的关键环节。而这一过程，离不开数据存储技术的支持。存储器，作为数据存储的核心载体，在现代微机系统中扮演着至关重要的角色。它不仅是数据与程序的栖息地，更是信息处理与运算结果的临时或永久存放地。因此，存储器被誉为电子行业的“基础原料”，其重要性堪比现代工业中的钢铁，是支撑信息技术大厦的基石之一。
历经多次信息技术革命与存储技术的迭代演进，半导体存储技术凭借其*特的优势，逐渐从众多存储技术中脱颖而出，成为当今数据存储领域的主流技术[2]。然而，随着物联网技术的广泛应用、大数据产业的蓬勃发展及人工智能技术的持续创新，全球数据量呈现出爆炸式增长态势，对存储器的性能与容量提出了更高的要求，如高集成度、快速读写、低功耗和高存储容量等[3，4]。因此，需要开发基于新材料、新原理的存储技术，以期突破现有技术的局限，满足未来信息社会对数据存储的更高要求。
1.1存储技术发展史
自人类文明诞生以来，人类就一直在寻求更为有效的信息存储方式，其在人类文明的发展和传承中发挥着极为重要的作用。存储方式和技术，也随着时代发展而不断进步。
1.1.1**阶段：人类早期信息存储技术发展阶段
*初人类依靠大脑中的神经突触来存储信息，但由于生物记忆存在一定的相对短暂性和不稳定性，因此，在一些特定场合下人类需寻求生物体之外的信息存储方式。
原始社会人类便开始了对信息存储的探索和使用。根据考古发现，早期人类采用的结绳记事的方法便是信息存储的一种方式（图1.1.1）。
图1.1.1结绳记事：“文”和“字”[1]
此外，原始信息方式还包括在坚硬载体表面进行创作，如4万多年前的印度尼西亚洞穴岩画［以天然燃料绘制于岩石表面，见图1.1.2（a）］、公元前1300年前商朝的甲骨文［通过刻凿方式记录于龟甲兽骨之上，见图1.1.2（b）］。这些早期记录媒介受限于材料特性，其信息承载容量与表现维度均存在显著局限。随着人类社会的进步，人类开始在陶器、金石、竹简［图1.1.2（c）］、木牍、绢帛［图1.1.2（d）］等物体表面记录信息。
图1.1.2雕刻记事
我国东汉时期（公元105年）蔡伦改进的造纸术（图1.1.3），使得信息记录、传播和传承有了革命性的进步，极大促进了人类文明和文化传播。纸的普及为后续印刷术等知识传播技术奠定了基础。
图1.1.3造纸术工艺流程图
1.1.2第二阶段：近代信息存储技术发展阶段
早期信息存储方式主要以纯手工为主，随着人类对工具的掌握和发展，近代存储技术开始了自动化的尝试。
1.机械化存储
随着机械技术的发展，结合机械操作的存储开始出现在早期的机械结构设计中。其中，纸作为机械存储的重要介质，开始运用到信息存储中。
1725年，法国纺织工人巴西尔 布雄（Basile Bouchon）发明了穿孔纸带［图1.1.4（a）］，他用在纸上打孔的形式来存储图案，用于控制纺织机进行图案织造，这标志着人类机械化信息存储形式的开端。
1801年，约瑟夫 马里 雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）将这种设计的打孔卡按照一定顺序捆绑，应用于提花织机［图1.1.4（b）］，这就是打孔卡片［图1.1.4（c）］的雏形。
1846年，亚历山大 贝恩（Alexander Bain）使用穿孔纸带发送电报。
18世纪末期到19世纪后期，穿孔磁带和穿孔卡片被广泛用于“程序化”的织机和其他工业机器。至1890年，美国统计学家赫尔曼 霍勒里斯（Herman Hollerith）创造性地将该技术引入人口普查领域，其设计的标准化打孔卡片系统（采用矩形孔排列方案）实现了数据处理效率的革命性突破。基于这项创举，霍勒里斯于1896年创立了制表机［图1.1.4（d）］公司，这也是后来大名鼎鼎的IBM公司的前身。基于打孔卡和穿孔纸带的机械化存储技术，持续了2个多世纪。例如现代早期计算机的Fortran程序也使用了打孔卡。
目录
目录
CONTENTS
第1部分 基础篇
第1章 绪论 3
1.1 存储技术发展史 4
1.1.1 **阶段：人类早期信息存储技术发展阶段 4
1.1.2 第二阶段：近代信息存储技术发展阶段 6
1.1.3 第三阶段：现代信息存储技术发展阶段 8
1.2 存储器的基本特征 9
1.2.1 相关概念 10
1.2.2 主要性能指标 10
1.2.3 多级存储系统 12
1.3 现代存储器的分类 14
1.3.1 按存储介质分类 14
1.3.2 按存取方式分类 16
1.3.3 按在计算机系统中的作用分类 17
1.3.4 按信息的可保存性分类 17
1.4 存储器技术的发展趋势 18
参考文献 20
第2章 静态随机存储器 21
2.1 静态随机存储器存储单元电路 22
2.1.1 静态随机存储器存储单元电路结构 22
2.1.2 静态随机存储器存储单元电路读约束 25
2.1.3 静态随机存储器存储单元电路写约束 27
2.1.4 静态随机存储器存储单元电路版图布局 28
2.2 静态随机存储器器件结构 29
2.2.1 静态随机存储器器件基本构成介绍 29
2.2.2 静态随机存储器器件结构类型示例 34
2.3 静态随机存储器性能参数 37
2.3.1 静态噪声容限 37
2.3.2 功耗 41
2.3.3 半选择破坏 42
2.3.4 技术指标 42
2.4 静态随机存储器的发展趋势 43
2.4.1 新型存储单元 43
2.4.2 新型静态随机存储器技术 46
参考文献 47
第3章 动态随机存储器 49
3.1 动态随机存储器存储单元 50
3.1.1 动态随机存储器存储单元类型示例 50
3.1.2 动态随机存储器存储单元的刷新 53
3.1.3 动态随机存储器存储单元结构优化 55
3.2 动态随机存储器器件结构 58
3.2.1 动态随机存储器器件基本构成介绍 58
3.2.2 动态随机存储器器件结构类型示例 66
3.3 动态随机存储器的发展趋势 71
3.3.1 新型存储单元 71
3.3.2 新型动态随机存储器技术 73
参考文献 76
第4章 只读存储器 77
4.1 掩模型只读存储器 79
4.1.1 掩模型只读存储器介绍 79
4.1.2 掩模型只读存储器存储单元结构 80
4.1.3 掩模型只读存储器特点 80
4.1.4 掩模型只读存储器优缺点 81
4.2 可编程只读存储器 82
4.2.1 可编程只读存储器介绍 82
4.2.2 可编程只读存储器存储单元结构 83
4.3 可擦可编程只读存储器 85
4.3.1 可擦可编程只读存储器介绍 85
4.3.2 可擦可编程只读存储器存储单元结构 86
4.3.3 可擦可编程只读存储器优缺点 87
4.4 电擦除可编程只读存储器 87
4.4.1 电擦除可编程只读存储器介绍 87
4.4.2 电擦除可编程只读存储器存储单元结构 88
4.4.3 电擦除可编程只读存储器优缺点 89
参考文献 89
第5章 闪存 91
5.1 闪存存储单元类型 93
5.1.1 浮栅型闪存 93
5.1.2 电荷俘获型闪存 94
5.2 闪存存储物理机制 95
5.2.1 沟道热电子注入 96
5.2.2 F-N隧穿效应 97
5.3 闪存存储单元读/写机制 98
5.3.1 NOR型闪存存储单元读/写/擦除 99
5.3.2 NAND型闪存存储单元读/写/擦除 102
5.3.3 SLC、MLC、TLC和QLC存储单元 104
5.4 NOR型闪存器件 106
5.4.1 NOR型闪存芯片的基本构架 106
5.4.2 NOR型闪存芯片的写入和擦除 107
5.5 2D NAND型闪存器件 107
5.5.1 NAND型闪存芯片的基本构架 107
5.5.2 NAND型闪存芯片的读写和擦除 109
5.6 3D NAND型闪存器件 111
5.6.1 BiCS结构 113
5.6.2 P-BiCS结构 114
5.6.3 TCAT/V-NAND/V-NAND结构 115
参考文献 118
第2部分 先进存储器篇
第6章 阻变存储器 123
6.1 阻变存储器概述 124
6.1.1 电阻转变效应 124
6.1.2 阻变存储器的性能参数 125
6.2 阻变存储器的材料与结构 126
6.2.1 阻变介质材料 126
6.2.2 电极材料 127
6.2.3 阻变存储器存储结构 128
6.3 阻变存储器的物理机制 134
6.3.1 金属导电细丝型阻变存储器 135
6.3.2 氧空位导电细丝型阻变存储器 136
6.3.3 界面势垒调节型阻变存储器 138
6.4 阻变存储器工艺与结构 139
6.4.1 阻变存储器制备工艺 140
6.4.2 阻变存储器器件结构 140
6.5 阻变存储器测试仪器 142
6.5.1 电学性能测试系统 142
6.5.2 阻变机理及失效原因测试仪器 143
6.5.3 阻变存储器研究示例 144
6.6 阻变存储器性能优化 149
6.6.1 读/写特性相关问题及其优化方法 150
6.6.2 保持特性失效模型及其改善方法 154
6.6.3 耐
试读
第1部分基础篇
第1章绪论
本章教学目标与要求
了解存储技术的发展历程。
熟悉存储器的相关概念。
理解存储器的主要性能指标及多级存储系统。
掌握现代存储器的分类与各自特征。
了解存储器技术的发展趋势。
进入21世纪，以计算机科学与互联网技术为引领的信息技术革命，正以前所未有的速度和广度，深刻影响着全球的政治、经济、文化、军事及科技格局，也极大推动了科学技术的进步，塑造了一个全新的信息时代[1]。在这个时代里，视频、音频、图像与文本等多种形式的数据文件，如同信息时代的细胞，广泛渗透并深刻影响着人们的日常生活、工作学习乃至社会交往的每一个角落。数据的保存与管理，是信息技术得以持续发展的关键环节。而这一过程，离不开数据存储技术的支持。存储器，作为数据存储的核心载体，在现代微机系统中扮演着至关重要的角色。它不仅是数据与程序的栖息地，更是信息处理与运算结果的临时或永久存放地。因此，存储器被誉为电子行业的“基础原料”，其重要性堪比现代工业中的钢铁，是支撑信息技术大厦的基石之一。
历经多次信息技术革命与存储技术的迭代演进，半导体存储技术凭借其*特的优势，逐渐从众多存储技术中脱颖而出，成为当今数据存储领域的主流技术[2]。然而，随着物联网技术的广泛应用、大数据产业的蓬勃发展及人工智能技术的持续创新，全球数据量呈现出爆炸式增长态势，对存储器的性能与容量提出了更高的要求，如高集成度、快速读写、低功耗和高存储容量等[3，4]。因此，需要开发基于新材料、新原理的存储技术，以期突破现有技术的局限，满足未来信息社会对数据存储的更高要求。
1.1存储技术发展史
自人类文明诞生以来，人类就一直在寻求更为有效的信息存储方式，其在人类文明的发展和传承中发挥着极为重要的作用。存储方式和技术，也随着时代发展而不断进步。
1.1.1**阶段：人类早期信息存储技术发展阶段
*初人类依靠大脑中的神经突触来存储信息，但由于生物记忆存在一定的相对短暂性和不稳定性，因此，在一些特定场合下人类需寻求生物体之外的信息存储方式。
原始社会人类便开始了对信息存储的探索和使用。根据考古发现，早期人类采用的结绳记事的方法便是信息存储的一种方式（图1.1.1）。
图1.1.1结绳记事：“文”和“字”[1]
此外，原始信息方式还包括在坚硬载体表面进行创作，如4万多年前的印度尼西亚洞穴岩画［以天然燃料绘制于岩石表面，见图1.1.2（a）］、公元前1300年前商朝的甲骨文［通过刻凿方式记录于龟甲兽骨之上，见图1.1.2（b）］。这些早期记录媒介受限于材料特性，其信息承载容量与表现维度均存在显著局限。随着人类社会的进步，人类开始在陶器、金石、竹简［图1.1.2（c）］、木牍、绢帛［图1.1.2（d）］等物体表面记录信息。
图1.1.2雕刻记事
我国东汉时期（公元105年）蔡伦改进的造纸术（图1.1.3），使得信息记录、传播和传承有了革命性的进步，极大促进了人类文明和文化传播。纸的普及为后续印刷术等知识传播技术奠定了基础。
图1.1.3造纸术工艺流程图
1.1.2第二阶段：近代信息存储技术发展阶段
早期信息存储方式主要以纯手工为主，随着人类对工具的掌握和发展，近代存储技术开始了自动化的尝试。
1.机械化存储
随着机械技术的发展，结合机械操作的存储开始出现在早期的机械结构设计中。其中，纸作为机械存储的重要介质，开始运用到信息存储中。
1725年，法国纺织工人巴西尔 布雄（Basile Bouchon）发明了穿孔纸带［图1.1.4（a）］，他用在纸上打孔的形式来存储图案，用于控制纺织机进行图案织造，这标志着人类机械化信息存储形式的开端。
1801年，约瑟夫 马里 雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）将这种设计的打孔卡按照一定顺序捆绑，应用于提花织机［图1.1.4（b）］，这就是打孔卡片［图1.1.4（c）］的雏形。
1846年，亚历山大 贝恩（Alexander Bain）使用穿孔纸带发送电报。
18世纪末期到19世纪后期，穿孔磁带和穿孔卡片被广泛用于“程序化”的织机和其他工业机器。至1890年，美国统计学家赫尔曼 霍勒里斯（Herman Hollerith）创造性地将该技术引入人口普查领域，其设计的标准化打孔卡片系统（采用矩形孔排列方案）实现了数据处理效率的革命性突破。基于这项创举，霍勒里斯于1896年创立了制表机［图1.1.4（d）］公司，这也是后来大名鼎鼎的IBM公司的前身。基于打孔卡和穿孔纸带的机械化存储技术，持续了2个多世纪。例如现代早期计算机的Fortran程序也使用了打孔卡。
