2.1.3 半导体存储器及其材料

利用大容量半导体存储器可使存储体的体积大大缩小，降低成本，因此，在计算机高速存储方面，半导体存储器已全部替代了过去的磁性存储器。

半导体存储器是各种电子计算机的关键部件，广泛应用于各类通信和家用电子设备；如今大到超级计算机和航天飞机，小到手机、语言复读机、各种电子玩具以及智能卡，都用到不同种类的半导体存储器。没有存储记忆功能的数字集成系统芯片（System on Chip, SoC），就像人的大脑失去了记忆。由此可知，存储器和逻辑运算器同等重要，缺一不可。

按功能的不同，半导体存储器可分为随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和串行存储器三大类。随着半导体集成电路工艺技术的发展，半导体存储器容量增长非常快，单片存储容量进入兆位级水平，如16Mbit、64Mbit、256Mbit动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory, DRAM）均已商品化。

1.随机存储器

随机存储器是指对于任意一个地址，以相同速度高速地、随机地读出和写入数据的存储器（写入速度和读出速度可以不同）。存储单元的内部结构一般是组成二维方矩阵形式，即一位一个地址的形式（如64k×1bit）。但有时也有编排成便于多位输出的形式（如8k×8bit）。随机存储器主要用于组成计算机主存储器等要求快速存储的系统。

按工作方式不同，随机存储器又可分为静态和动态两类。静态随机存储器的单元电路是触发器，可规定A或B两个晶体管中的一个导通时，代表“1”或代表“0”。触发器只要电源足够高，导通状态便不会改变。因此，存入每一单元的信息，如不“强迫”改写，只要有足够高的电源电压存在便不会改变，不需要任何刷新，如金属-氧化物-半导体（MOS）静态随机存储器。这种存储器的速度快，使用方便。动态随机存储器的单元由一个MOS电容和一个MOS晶体管构成，数据以电荷形式存放在电容之中，一般以无电荷代表“0”，有电荷代表“1”，反之亦可。单元中的MOS晶体管是一个开关，它控制存储电容器中电荷的存入和取出。通常，MOS电容及与其相连接的p-n结有微弱的漏电，电荷随时间而变少，直至漏完，存入的数据便会丢失。因此，动态随机存储器需要每隔2～4ms对单元电路存储的信息重写一次。这种存储器的特点是单元器件数量少，集成度高，应用最为广泛，如MOS动态随机存储器。

2.只读存储器

只读存储器用来存储长期固定的数据或信息，如各种函数表、字符和固定程序等。其单元只有一个二极管或晶体管。一般规定，当器件接通时为“1”，断开时为“0”，反之亦可。若在设计只读存储器掩模版时就将数据编写在掩模版图形中，光刻时便转移到硅芯片上。这样制备成的称为掩模只读存储器。这种存储器装成整机后，用户只能读取已存入的数据，而不能再编写数据。其优点是适用于大量生产。但是，整机在调试阶段，往往需要修改只读存储器的内容，比较费时、费事，很不灵活。

3.串行存储器

串行存储器的单元排列成一维结构，犹如磁带。首尾部分的读取时间相隔很长，因为要按顺序通过整条磁带。半导体串行存储器中的单元也是一维排列，数据按每列顺序读取，如移位寄存器和电荷耦合存储器等。

按制造工艺技术的不同，半导体存储器可分成MOS型存储器和双极型存储器两类。20世纪70年代以来，N沟道金属-氧化物-半导体（NMOS）集成电路和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）集成电路发展最快，用这两者都可做成极高集成度的各种半导体集成存储器。砷化镓半导体存储器如1024bit静态随机存储器的读取时间已达2ms，在超高速领域将有所发展。