第7章 光電信息的存儲與顯示

1、 第7章 光電信息的存儲與顯示 內(nèi)容提要： 信息存儲是將字符、文獻、聲音、圖像等有用數(shù)據(jù)通過寫入裝置暫時或永久地存儲在某種存儲介質(zhì)中，并可利用讀出裝置將信息從存儲介質(zhì)中重新再現(xiàn)的綜合技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，存儲技術(shù)經(jīng)歷了由紙張書寫、微縮照片、機械唱盤、磁帶、磁盤的演變過程，發(fā)展到當今的采用光信息存儲技術(shù)的新階段。顯示器是以視覺的形式將信息傳達給人眼的器件，在進入高度信息化社會的今天，作為人機交互的界面，其重要性顯得越來越大。本章主要介紹磁存儲、光存儲、半導(dǎo)體存儲和顯示器的基本原理和技術(shù)，重點介紹光盤存儲技術(shù)、全息存儲技術(shù)、液晶顯示器(LCD)、LCOS、等離子體顯示器(PDP)和OLED的原

2、理和結(jié)構(gòu)。 7.1 光存儲技術(shù) 光存儲技術(shù)是現(xiàn)代光學(xué)與信息科學(xué)相互交叉的學(xué)科。近年來，光存儲技術(shù)取得了很大進展，在信息技術(shù)中起著越來越重要的作用。 光信息存儲就是利用激光的單色性和相干性，將要存儲的信息(模擬量或數(shù)字量)，通過調(diào)制激光聚焦到存儲介質(zhì)上，使介質(zhì)的光照微區(qū)(直徑一般在1?m以下)發(fā)生物理、化學(xué)變化以實現(xiàn)存儲，這就是通常所說的信息“寫入”過程。讀取信息時，用低功率密度的激光掃描信息軌道，其反射光通過光電探測器檢測、解調(diào)以取出所要的信息，這就是通常所說的信息“讀出”過程。本節(jié)主要介紹光盤存儲技術(shù)、全息存儲技術(shù)的基本原理與技術(shù)。 7.1.1 光盤存儲 102，比磁目前，光信息存儲形式主要

3、是光盤存儲。其存儲密度的極限量級為10 bit/cm帶或磁盤等磁存儲的存儲密度高兩個數(shù)量級。 光盤是一種圓盤狀的信息存儲器件。它利用受調(diào)制的細束激光改變盤面介質(zhì)不同位置處的光學(xué)性質(zhì)，存儲待存儲的數(shù)據(jù)。當用激光束照射介質(zhì)表面時，依靠各信息點處光學(xué)特性的不同提取出被存信息。在光盤上寫入信息的裝置稱作光盤存儲系統(tǒng)，如光盤文件存儲器；能從光盤上讀出數(shù)據(jù)的裝置是光盤重放系統(tǒng)，如視頻光盤放像機。大多數(shù)光盤裝置具有存儲和重放的雙重功能。 1. 光盤存儲的特點 1010?8位；mm的數(shù)字光盤中的數(shù)據(jù)總?cè)萘繛榇鎯γ芏雀?、容量大，在直?1) 300 m1.6如每圈紋跡對應(yīng)一幅道紋跡。54 000，直徑300 m

4、m光盤紋跡間距為的光盤每面有 50 000圖像，則可容納多幅靜止的圖像； 217 610?25 (2) 寫入讀出速度快，數(shù)字光盤單通道可達；位/s 年；年以上，而商用磁盤僅為35(3) 存儲壽命長，庫存時間大于10 每信息位的價格最低，易復(fù)制、壽命長；(4) ms60 (5) 有隨機尋址能力，隨機存取時間小于； (6) 光盤存儲是非接觸寫入讀出，防塵耐污染，操作方便，易與計算機聯(lián)機使用。 2. 光盤存儲的類型 按其功能劃分主要有四種： (ROM)。這種光盤只能用來播放已存儲在盤片上的信息；(1) 只讀存儲光盤。這類光盤具有寫、讀兩種功能，它用來隨錄隨放，也可一次寫入光盤(WORM)(2) 用于

5、文檔存儲和檢索以及圖像存儲和處理；。這類光盤除用來寫、讀信息外，還可將已經(jīng)存儲在光可擦重寫光盤(REWRITE)(3) 擦是分開的兩個過程，需要兩束不同的然后再寫入新的信息；但寫、 盤上的信息擦去， 即先用擦激光將某一信道上的信息擦除，然后再用寫激 激光和先后兩個動作才能完成， 光將新的信息寫入；。這類光盤可用一束激光、一次動作錄入信息，也就(OVERWRITE)(4) 直接重寫光盤 是在寫入新信息的同時舊信息自動被擦除，無須兩次動作。 光盤存儲的工作原理3. 只讀存儲光盤的工作原理(1) 形象地描述。只讀存儲光盤的存儲原理可由圖7.1 圖7.1 激光刻錄示意圖 將事先存儲在主磁帶上的視頻或音

6、頻信息通過信號發(fā)生器、前置放大器去驅(qū)動電光、聲光調(diào)制器，使經(jīng)過調(diào)制的激光束以不同的功率密度聚焦在涂有光刻膠的玻璃襯盤上，光刻膠曝光后，通過若干步驟和工序制成主盤(又稱母盤，Master)和副盤(又稱印模，Stamper)，再經(jīng)過所謂的“2P”復(fù)制過程制成視頻錄像盤(Video Disk-VD盤)，或數(shù)字音響唱盤(Compact Disk-CD盤)。 圖7.2給出了光盤寫入讀出的原理示意圖。圖7.3給出了光盤的截面形狀。將載有音1m左右的光點。高能量密度頻、視頻或文件信息的調(diào)制激光束經(jīng)聚焦透鏡縮小成直徑的細束激光加熱光盤的存儲介質(zhì)表面，使局部位置發(fā)生永久性變形，這造成介質(zhì)表面光學(xué)特性的二值化改變

7、。由于光盤是旋轉(zhuǎn)的，而寫入頭是平移的，在光盤面上會形成軌跡為螺旋狀的一系列微小凹坑或其他形式信息的信息存儲點。這些信息點的不同編碼方式就代表0.4m，深度為讀出光束波長的1/4了被存儲的信息數(shù)據(jù)。光盤的凹坑一般寬度為，約為0.11m1.67m。 ，螺旋線型的紋跡間距為 218 光盤的截面形狀 圖7.3 光盤寫入讀出的原理示意圖 7.2在讀出狀態(tài)時，將照射激光束聚焦在光盤信息層上。當激光束落在光盤信息層的平坦區(qū)域時，大部分光束被反射回物鏡，落在凹坑邊緣的反射光因衍射作用而向兩側(cè)擴散，只?4)(1/，故反射光相位與坑有少量反射光能折回物鏡。落入凹坑底部的光束由于坑深為?2)(1/2)(1/時，由于

8、干涉而。由干涉理論可知，當二束光相位差為上反射光相位差為形成暗條紋。由此可見，當激光束全部照在光盤信息層的平坦區(qū)域時，反射光為亮紋；而當部分激光束落到凹坑底部時，反射光為暗紋。這樣，當光盤按一定的速度旋轉(zhuǎn)時，來自只要用光電檢測器接收反射回來的光盤的反射激光束亮度將隨光盤上凹坑的變化而變化， 的信號。被信息點調(diào)制的光強，就可得到“0”或“1” 讀出數(shù)據(jù)時，與寫入信息相同，光盤轉(zhuǎn)動，讀數(shù)頭作平移運動，即合成螺旋運動?？偟恼f來，只讀存儲光盤的存儲介質(zhì)是光刻膠，存儲方式多數(shù)采用經(jīng)聲光調(diào)制的聚焦氪離子激光，將信息刻錄在介質(zhì)上，制成主盤及副盤，再用副盤作為原模，然后進行大量 片盤片。模壓復(fù)制。一個原模一般

9、可復(fù)制至少5 000 (2) 一次寫入光盤一次寫入光盤利用聚焦激光在存儲介質(zhì)的微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理化學(xué)變化寫入信這類光盤具有寫、讀兩種功能，用戶可以自行一次寫入，寫完即可讀，但信息一經(jīng)息。 寫入便不可擦除，也不能反復(fù)使用。它特別適合于文檔和圖像的存儲和檢索。存儲的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r加以檢驗，(DRAW)，為了保證光盤能被用戶寫入，實現(xiàn)寫后即讀 都以標準格式預(yù)先刻錄并復(fù))一次寫入光盤上應(yīng)有的地址碼(信道號、扇區(qū)號及同步信息等制在光盤的襯盤上。除了分辨率高，對比度、抗缺陷性能強等對光盤存儲介質(zhì)的共同要求外，一次寫入光盤還要求介質(zhì)具有較高的存儲靈敏度和較好的存儲閾值，并且存儲介質(zhì)的 力、熱及光學(xué)性能應(yīng)與預(yù)

10、格式化襯盤相匹配。 一次寫入光盤的寫入過程主要是利用激光的熱效應(yīng)，其存儲方式有燒蝕型、 起泡型、 熔絨型、合金型、相變型等很多種。 現(xiàn)以燒蝕型光盤為例來闡述一次寫入光盤的存儲原理。燒蝕型光盤的存儲介質(zhì)可以是金屬、半導(dǎo)體合金、金屬氧化物或有機染料。利用激光 7.4所示。信息坑孔形成的過程如圖使介質(zhì)的微區(qū)熔化、的熱效應(yīng)，蒸發(fā)以形成信息坑孔， 219 燒蝕信息坑孔的形成圖7.4 激830nm1.2mm，上面濺射一介質(zhì)薄層。用以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為襯底，厚2T。當中心溫度超過介質(zhì)熔點圖光，聚焦在1m7.4(a)范圍內(nèi)，溫度呈高斯型空間分布(m激光脈沖拆去，。圖7.4(b)時，在介質(zhì)表面形成一

11、熔絨區(qū)，周圍的表面張力將熔區(qū)拉開成孔( 。圖7.4(c)孔的邊緣凝固，在存儲介質(zhì)膜上形成與輸入信息相應(yīng)的坑孔( (3) 可擦重寫光盤光可擦重寫光盤是利用存儲介質(zhì)在兩個穩(wěn)定態(tài)之間的可逆變化來實現(xiàn)反復(fù)的寫與擦。 盤可擦重寫技術(shù)的關(guān)鍵是解決新的存儲介質(zhì)材料。磁光盤也是目前磁光存儲是可擦除重寫光盤存儲中較具有發(fā)展前景的一種存儲技術(shù)。 使用的可擦除重寫光盤。磁光存儲主要是基于磁性材料的克爾效應(yīng)。在寫入信息前，用一定的場強對介質(zhì)進行初始磁化，使各磁疇單元具有 信息的寫入相同的磁化方向。寫入信息時，磁光頭的聚焦激光束照射到磁性存儲材料薄膜上，在照射微區(qū)域內(nèi)，溫度迅速上升，利用外加反偏磁場，使微斑反向磁化，而

12、介質(zhì)中無光照的區(qū)域 )。如圖7.5所示磁化方向保持原來的方向，從而實現(xiàn)了磁化方向相反的反差存儲( 磁光存儲原理圖7.5 信息的讀取是利用磁光效應(yīng)來實現(xiàn)的。信息的讀取 檢測存儲單元的磁化方向。 反射Kerr透射情形，利用法拉第效應(yīng)。當線偏振光傳播方向與磁化方向一致時，透射光的 ? 的關(guān)系為與介質(zhì)厚度h偏振方向?qū)⒀厝肷涔獾钠穹较虬l(fā)生最大偏轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角?Fh?(7.1) F 為法拉第旋光系數(shù)。若磁化方向變反，則透射光偏轉(zhuǎn)角大小不變，方向相反。式中，F(xiàn)?Fh?(7.2) F擦除信息時用原來寫入的光束掃描信息道，并施加初始偏置磁場，則存 信息的擦除 7.5所示。儲單元的磁方向又恢復(fù)原狀。如圖第二

13、遍存儲第一遍擦除原有存儲數(shù)據(jù)；傳統(tǒng)的磁光盤(MO)存儲信息的寫過程需三遍：數(shù)據(jù)。這時外加相反的磁場，用存儲時調(diào)制的激光脈沖照射介質(zhì)，使對應(yīng)脈沖的地方被反 220 向磁化；第三遍驗證數(shù)據(jù)是否正確地寫入。每一遍對應(yīng)盤片旋轉(zhuǎn)一周。 目前，MO介質(zhì)成為可移動式存儲設(shè)備，在計算機外圍設(shè)備中得到應(yīng)用。在MO上，可以直接運行程序和存儲文件。但這種先擦后寫的兩步過程限制了數(shù)據(jù)的存取時間和傳輸速率，因而尚未應(yīng)用到計算機系統(tǒng)的主內(nèi)存即隨機存取存儲器(Random Access Memory, RAM)。但是，用這類光盤代替磁帶，用在海量脫機存儲和圖像數(shù)字存儲方面已是事實。 (4) 直接重寫光盤 前面介紹的可擦重寫

14、磁光盤，在存儲信息時往往需要兩次動作，即先將信道上原有的信息擦除，然后再寫入新的信息。這可以用一束激光的兩次動作完成，也可用擦除光束和隨后的寫入光束配合完成。無論采取哪種方式，都將限制光盤數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。光盤存儲技術(shù)目前的研究熱點，一是提高可擦重寫光盤的性能，二是研究直接重寫光盤。直接重寫光盤可用一束激光、一次動作錄入信息，也就是在寫入新信息的同時自動擦除原有信息，無需兩次動作。顯然，這種光盤能夠有效地提高數(shù)據(jù)傳輸率，有希望應(yīng)用到計算機系統(tǒng)的隨機存取存儲器。 實現(xiàn)直接重寫的可能途徑之一，是利用激光束的粒子作用，在極短的時間內(nèi)使介質(zhì)完成快速晶化。這種光致晶化的可逆相變過程可以非?？?。當擦除激

15、光脈寬與寫入激光脈寬相當時 (2050 ns)，相變光盤可進行直接重寫，從而大大縮短了數(shù)據(jù)的存取時間。近年來，國內(nèi)外的大量研究工作都圍繞著降低擦除時間(加快晶化速度)、提高晶態(tài)和非晶態(tài)的反襯度以及多次擦除中材料穩(wěn)定性等方面進行。 4. 光盤存儲器中的光學(xué)系統(tǒng) 隨著光信息存儲技術(shù)的進展，各類光盤的性能逐步提高，相應(yīng)的光盤存儲器功能日趨完善，門類也日臻齊全。但是各類光盤存儲器中的光學(xué)系統(tǒng)大體類似，都由半導(dǎo)體激光器作光源、光學(xué)頭及光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成；或用一束激光、一套光路進行信息的寫、讀(如只讀及一次寫入存儲器)；或用兩個獨立的光源、配置兩套光路，一套用以讀、寫，另一套實現(xiàn)擦除(如可擦重寫存儲器)。直接重

16、寫式相變光盤存儲器，在信息寫入的同時，原有信息自動被擦除，從而也只需要一束激光一套光路完成全部讀、寫、擦功能，因此這種存儲器可以和一次寫入存儲器兼容以便制成多功能相變光盤存儲器。 現(xiàn)簡要介紹光盤存儲器的光學(xué)系統(tǒng)。各類光學(xué)系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)原理不同，但在光盤存儲器中都具有信息寫入、讀取和擦除的功能。光學(xué)系統(tǒng)是圍繞著以下幾方面配置的： 從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光一般都有較大的發(fā)散角，為了更有效地利用光能量，首先要把半導(dǎo)體激光器中發(fā)出的發(fā)散光束準直成平行光束。半導(dǎo)體激光束的截面為橢圓，需要經(jīng)過整形變成圓光束，才能最后在光盤上聚焦成圓光斑，滿足讀/寫的要求。要采取措施使沿同一光路傳播的入射到光盤的光束和從光盤

17、反射回來的光束不致發(fā)生干涉。要防止光盤表面的反射光進入到激光器，否則會在激光輸出中增加顯著的噪聲。由于寫/讀光束和擦除光束都是用同一個物鏡聚焦在光盤上，因此，要高效地將經(jīng)過準直以后的寫/讀光束和擦除光束耦合到同一光路中。 根據(jù)光盤存儲介質(zhì)的不同，其光學(xué)系統(tǒng)大致可分為單光束光學(xué)系統(tǒng)和雙光束光學(xué)系統(tǒng)兩類。單光束光學(xué)系統(tǒng)適合于只讀光盤和一次寫入光盤，具備信息的寫/讀功能；對于直接重寫相變光盤原則上也可使用，只是激光器的功率及脈沖要求不同， 因而激光器的驅(qū)動電路也不同。圖7.6是具有代表性的單光束光學(xué)系統(tǒng)的光路。從半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)利用透鏡2、3整形準直后變成圓平行光到達偏振光分束器4。 2

18、21 偏振光分束器是由兩塊雙折射晶體方解石(負單晶)棱鏡組成的光學(xué)器件，兩棱鏡之間是一層薄薄的空氣層，垂直入射的光束進入第一個棱鏡后，分解為兩束相互垂直偏振的尋常光(o光)和非尋常光(e光)，其中o光在空氣層界面全反射，而e光則進入第二個棱鏡再無偏折地射出。因此，通過偏振分束器的激光變成了只有一個方向振動的?/4片5之后變成圓偏振光，經(jīng)反射鏡6和聚集物鏡7在線偏振光，此線偏振光通過光盤7的存儲層聚集成所需要的圓光斑。從光盤反射回來的光束仍是圓偏振光，在再?/4片后，形成線偏振光，但偏振方向旋轉(zhuǎn)了90o次通過，即與原先通過偏振分束器的線偏振光振動方向互相垂直，這就避免了沿同一光路傳播的來回兩束光

19、發(fā)生干涉。而且，此線偏振光進入偏振分束器相當于一束o光，在空氣層界面全反射，從而防止了反射光進入激光器。最后，從偏振分束器出來的光束經(jīng)過分束鏡9，一部分反射經(jīng)透鏡10會聚于讀出探測器11，得到讀出信號，另一部分透射經(jīng)透鏡12會聚于聚焦，跟蹤誤差探測器13，得到聚集、跟蹤誤差信號。 雙光束光學(xué)系統(tǒng)的光路7.7 圖 7.6圖 單光束光學(xué)系統(tǒng)的光路 雙光束光學(xué)系統(tǒng)除上述寫/讀光路之外，還增添了一套擦除光路。這是由于一般可擦重寫光盤在寫入信息之前，要用一個長橢圓光斑將信道上原有的信息擦除，然后才能寫入新的信息。圖7.7示出一典型的雙光束光學(xué)系統(tǒng)。器件 18, 1013 構(gòu)成寫/讀光路，器件 1419,

20、 58,2021 構(gòu)成擦除光路。一些關(guān)鍵器件的作用如下：5，二向色反射鏡，為一干涉濾光鏡，只反射特定波長的入射光；11，刀口，將從光盤反射回來的激光分割為兩部分，分別進入探測器12和13，得到讀出和聚焦、跟蹤誤差信號；18、19，一對正、負柱面透鏡，改變光束為橢圓截面，以利擦除；17，偏振分束器；1，寫/讀激光器 (0.83 m)；14，擦除激光器(0.78 m)。 5. 磁光存儲的光學(xué)系統(tǒng) 圖7.8是一個典型的磁光光盤寫、讀、擦光學(xué)系統(tǒng)，分為左、右兩路，左路用來寫、擦信息，右路用來讀出。 222 磁光光盤存儲器中的光學(xué)系統(tǒng)圖7.8 ，將要存入光盤的聲、光信號由左路聲一般是1800r/min)

21、使用時，當光盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后(端輸入。這時由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束，經(jīng)過聲光調(diào)制器調(diào)制、整形，經(jīng)光調(diào)制器的A處轉(zhuǎn)入讀出光P波長片變成直線偏振光，該偏振光經(jīng)過分束器4分為兩束，一束由過1/2聚集到盤9進入1/4波長片后成為圓偏振光，由物鏡路；另一路通過全反鏡5、分束器61/4片記錄介質(zhì)表面，偏置磁場根據(jù)寫入或擦除的要求設(shè)置。寫入或擦除狀態(tài)由反射光經(jīng) 端給出。從B波長片后，恢復(fù)為直線偏振光，然后從分束器6反射，最后由探測器13后，具有一確定的偏振16P端引到讀出光路的直線偏振光，經(jīng)分束器由分束器4的1618，聚集在光盤上，對信道進行掃描，其反射光經(jīng)分束器方向，通過全反鏡17及物鏡C上，該探測器給出聚集

22、誤差信號并由20聚焦到探測器21和19后分為二路，一路經(jīng)透鏡端引出，引出的信號即時送入調(diào)焦伺服電路實現(xiàn)自動調(diào)焦；另一路直線偏振光，經(jīng)過檢偏轉(zhuǎn)角。得到的信號經(jīng)柱面透鏡分別聚集到中央處理單元，Kerr器22，檢測其偏振方向即端輸出軌的26E24的F端輸出軌道跟蹤信號；探測器即可得到寫入盤片的信號。探測器 道跟蹤誤差信號，該信號送入跟蹤伺服電路進行軌道跟蹤的校正。分立元件組成的光學(xué)系統(tǒng)，適用于磁光光盤動態(tài)測試儀或模擬存儲器中，因為實用化 存儲器要求體小質(zhì)輕、性能優(yōu)良，故對實用磁光存儲器的光學(xué)系統(tǒng)進行了兩點改進： 優(yōu)化組合光學(xué)元器件，制成體小質(zhì)輕的光學(xué)系統(tǒng)；(1) 采用分離光學(xué)頭，以減小平均尋址時間。

23、(2) 所示。由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的橢圓光束經(jīng)準直和整形后成7.9改進后的光學(xué)系統(tǒng)如圖為截面為圓形的平行光束，再經(jīng)偏振分束后成為具有一定偏振方向的直線偏振光，此光經(jīng)反射轉(zhuǎn)向、物鏡聚焦后，可進行信息在介質(zhì)寫、擦過程中的退磁，以及寫、擦后的信息讀取。由盤片介質(zhì)反射的光束，到達分束組件，在第一分束面上反射的偏振光，進入數(shù)據(jù)通在第二分束面上反射探測器實現(xiàn)對讀取數(shù)據(jù)的差分探測。道并經(jīng)過溫拉斯棱鏡和兩只PIN的偏振光進入伺服通道，經(jīng)過臨界角棱鏡送入四象限探測器。由該探測順口給出聚集誤差 和軌道跟蹤信號，并送往伺服控制系統(tǒng)進行校正。 223 組合件磁光光學(xué)系統(tǒng)圖7.9 光全息存儲7.1.2 光盤存儲系統(tǒng)雖然具

24、有許多優(yōu)點，但它和磁鼓、磁盤、磁帶一樣都要求光學(xué)頭相對記錄介質(zhì)作機械運動，這就使記錄信位的密度被限制在機械調(diào)節(jié)的精度內(nèi)，并使存取時間只能限于毫秒范圍。在計算機中，高速電子線路與毫秒機械系統(tǒng)的混合很難兼顧。為此，需又能在降低信息位價格的情況下增加存儲容量的海量存儲技尋求一種既能減少存取時間，年代隨著激光全息術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)6020世紀術(shù)。光全息存儲便是一條有效的途徑。它是 的一種大容量高存儲密度的存儲方式。的小全息圖，全息信息存儲的大容量是利用傅里葉變換全息圖，制作直徑約為1 mm排成列陣，或者象唱片那樣排列在旋轉(zhuǎn)的圓盤上。全息信息存儲具有高存儲密度、海量高可靠性的特點。因為全息記錄是分布式的，它

25、把每一點的信息或者每一個信息單元記錄在整個全息圖上，所以全息圖上有一點劃痕并不影響信息的讀出，對系統(tǒng)中信息位、字或頁 的快速尋址，則可通過激光束無慣性高速電子控制來完成。 1. 傅里葉變換全息存儲系統(tǒng)輸入的信息置于傅里7.10是一種能記錄準確的傅里葉變換全息圖的存儲系統(tǒng)的光路，圖，L葉變換透鏡L的前焦面，在后焦面記錄全息圖。再現(xiàn)時也需要一個傅里葉變換透鏡32變換后形L級衍射光，經(jīng)1若用原光路再現(xiàn)，則原始像對應(yīng)再現(xiàn)照明光透過全息圖后的3。在存儲系統(tǒng)中，常把f=-f/，則原始像的放大率的焦距分別為，成實像；若LLf，fM1321 記錄與再現(xiàn)稱為寫入和讀出。 傅里葉變換全息存儲光路7.10圖 224

26、 在高密度存儲中，大都是先用普通照相方法將存儲的信息(例如一頁書或一幅圖)用135?22的負片，負片的優(yōu)點是黑背景，16) mm24) mm可以減少雜散光，或 (24膠卷縮小成(36使圖像清晰。 全息圖的大小與信息的最小分辨距離、光的波長和透鏡的焦距有關(guān)。設(shè)透鏡的最小分?D和全息圖的直徑同衍射光的方向角辨距離為要使信息的一衍射光落在全息圖上，H?/?D/2sinf?tg?較小)，因此有 f透鏡的焦距 之間應(yīng)滿足(當H?/fD?2 (7.3) H例如，信息的最小分辨距離為0.05 mm，透鏡的焦距為50 mm，用633 nm波長記錄，則40?40的列陣，兩全息圖邊緣的間距為1.2 mm全息圖的直

27、徑為1.27 mm。如果用，則用210)cm?(10的銀鹽干版就可記錄16000幅圖或16000頁書。 圖7.11是兩種能再現(xiàn)放大實像的光路。在這兩種光路中，輸入面位于透鏡前二倍焦距與焦點之間，根據(jù)實像的放大倍率來安置，記錄介質(zhì)放在照明光源的共軛像面上。圖7.11(a)用平行光照明，記錄介質(zhì)在透鏡的后焦面上；圖7.11(b)用球面波照明，記錄介質(zhì)在點光源的共軛像面上。圖中p,q表示照明光源的物距。這種光路和傅里葉變換記錄光路的不同點是輸入面不在透鏡前焦面上，因而物光波的頻譜有一個二次位相因子，造成在頻譜面上的波面彎曲。由圖可見，頻譜面上波面的曲率半徑等于輸入面的共軛像面到譜面的距離。因參考光用

28、平行光，它在譜面上是線性(一次)位相因子，所以全息圖的光強分布中二次位相因子抵消不掉，是一種夫瑯和費全息圖。 在這種記錄光路中，可用照相機鏡頭來代替傅里葉變換透鏡，如果用制作負片時的鏡頭，并且使放大的倍數(shù)與原來縮小的倍數(shù)相同，還可消除系統(tǒng)的畸變。這種光路的一個優(yōu)點是讀出時不需透鏡(再現(xiàn)衍射光是會聚光)，用細光束照明即可。 圖7.11中，全息圖H右邊表示用原光路再現(xiàn)時的讀出光路。如果需要快速讀出，則可加一個光束偏轉(zhuǎn)器D，如圖7.12所示，使激光束順序地照射在全息圖列陣上，就可相應(yīng)地顯示出實像。 另一種簡單的記錄光路是用會聚球面光波照明，記錄介質(zhì)置于會聚透鏡的后焦面，輸z在焦距范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，如圖

29、7.12入面與記錄介質(zhì)之間的距離所示。因為輸入的信息0不再通過透鏡，所以在頻譜面上波面彎曲的半徑等于輸入面到透鏡后焦面(即譜面)的距離。 225 再現(xiàn)放大實像光路7.11 圖 用會聚球面波照明的光路 圖7.13 光束偏轉(zhuǎn)器圖7.12 參考光可用平面或球面光波，若用平面光波，就形成夫瑯和費型全息圖；若用球面光波，并且點源位于輸入平面，二次位相因子可消，就形成準傅里葉變換全息圖。讀出時若用原光路再現(xiàn)，就得到與原物相同的虛像；若用逆光路再現(xiàn)，可得到與原物相同的實像。要得到放大的再現(xiàn)像，可以用原光路再現(xiàn)，在全息圖后面加一個放大鏡頭，其焦距應(yīng)小于 記錄時輸入面到全息圖的距離，這樣就可以把再現(xiàn)的虛像放大并

30、形成實像。這種光路的優(yōu)點是輸入面可以緊靠透鏡，輸入面的大小可以與透鏡口徑相同，對于一射線照片、航空照片、遙感照片等，如采用大口徑透鏡，就可以不經(jīng)些較大的照片，如X 過縮小，直接用來存儲。 光折變晶體的多重像存儲2. 光折變晶體由于有大容量的存儲信息的能力、低的寫讀功率、高靈敏度、高衍射效率以及可以擦除等特點，可以作為體全息記錄材料而用于高密度多重存儲、光學(xué)聯(lián)想存儲、 光學(xué)互連及多種實時信息處理系統(tǒng)。光折變晶體是指在光的作用下折射率發(fā)生變化的晶體，其原理在光波調(diào)制中已講過。由于擴散、)電子或空穴，(當一束一定波長的光入射到晶體上時，晶體中將產(chǎn)生電荷載流子 226 漂移、光生伏特等效應(yīng)的單獨或綜合

31、作用，載流子將在晶體點陣中遷移，直到被陷阱捕獲于新的位置。由于產(chǎn)生的空間電荷在晶體中引起了電場強度分布，該電場通過電光效應(yīng)使晶體的折射率發(fā)生相應(yīng)的改變。常見的光折變晶體有：鈮酸鋰(LiNbO)，鉭酸鋰(LiTaO)，鈦酸鋇(BaTiO)，鈮酸鍶鋇(SBN)，鉀鈉鈮酸鍶鋇(NSBN)等。 光折變晶體的成像是由于在非均勻光場的照射下，通過復(fù)雜的光電過程，最終形成一種折射率分布與原光場強度相對應(yīng)的像。當晶體在光場照射下時，光激發(fā)電荷進入鄰近的能帶。光生載流子在帶中或因濃度梯度擴散，或在電場作用下漂移，或由光電伏特效應(yīng)而運動，遷移的電荷可以被重新捕獲。經(jīng)過再激發(fā)、再遷移、再俘獲，最終形成了與光場分布相

32、對應(yīng)的空間電荷分布，這些光致分離的空間電荷按照泊松方程產(chǎn)生相應(yīng)的空間電荷場。如果晶體不存在對稱中心，空間電荷場將通過線性電光效應(yīng)在晶體內(nèi)形成折射率在空間的非均勻分布，即所謂成像過程。如果用兩束相干光干涉產(chǎn)生的調(diào)制光強照射光折變晶體，最終將形成一種折射率位相光柵。 3. 隨機相移抽樣全息圖 在系統(tǒng)的傅里葉變換平面上，信息頻譜的光分布隨信息結(jié)構(gòu)的不同而異。 計算機存儲的是二進制的“0”與“1”，這種信息圖樣可以看做是由圖7.14所示的圓孔列陣。設(shè)孔的直徑為a, 孔的間距為b，則在變換平面上的光強分布如圖7.15所示。虛線表示圓孔衍射的愛里斑，實線是由于多孔干涉形成的光強尖峰。 圓孔列陣衍射光強分布

33、7.15 圖 圖7.14 圓孔列陣 根據(jù)中文字體的結(jié)構(gòu)特點，一個字可看成由不同長短、寬窄的矩形孔組成。為保證一頁資料的所有筆劃都能得到清晰的再現(xiàn)像，可以選擇最窄、最短的矩形孔作為分析基礎(chǔ)，如圖7.16所示。圖中，a 表示筆劃的寬度，b表示筆劃的間距，一般說來b2a。在頻譜面上的光強分布如圖7.17所示，矩形孔的衍射斑中有較多的尖峰。 以上兩種情況都是對二進制的信息而言，對于一般的圖像如景片、X射線照片等，有一定的灰度等級，其頻譜成分更是低頻的較多。因此，為了能滿足高質(zhì)量高存儲密度的條件，必須采用一些措施，使頻譜面上的光強分布趨于均勻。對于文字存儲，采用如圖7.18所示的離焦法可以達到較滿意的結(jié)

34、果，其記錄平面離開傅里葉變換平面大約是透鏡焦距(或輸入面與變換平面的距離)的百分之一。 離焦法的缺點是全息圖增大，這就降低了存儲密度。 227 矩孔列陣衍射光強分布圖7.17 7.16 圓孔列陣衍射光強分布 圖之間均勻02隨機相移法是對信息的一個分辨單元附加上一個位相，位相的大小在等分取值，其分布是隨機的，與信息的分布無關(guān)。附加的位相破壞了原來光柵結(jié)構(gòu)造成的同相相加的強度尖峰，使光強分布均勻化。這樣，就可以在傅里葉變換平面上記錄信息，既滿足了高密度存儲，又滿足高質(zhì)量的條件。隨機相移器用于計算機存儲器的存儲較為合適，對于一般圖像，應(yīng)當再加上抽樣的方法，這就發(fā)展成隨機相移抽樣法。這種記錄光路三者緊

35、貼在一起PM和隨機相移器、抽樣網(wǎng)格的布置如圖7.19所示，載有信息的膠片O放置，記錄介質(zhì)放置在確切的傅里葉變換平面上，于是待存儲的信息被抽樣網(wǎng)格分成大量的抽樣點，然后通過隨機相移器，把隨機相移附加到每一個抽樣點上。實際上，抽樣網(wǎng)格 和隨機相移器可以制作在一起。 隨機相移法記錄光路 圖7.19 圖7.18 離焦法記錄光路 抽樣技術(shù)把輸入信息分成許多抽樣點，抽樣間隔等于所要求的分辨距離，這樣，在頻譜面上低頻成分減少，所有的頻譜分布在抽樣點的整個愛里斑內(nèi)。隨機相移器的作用使其在頻譜面上的整個愛里斑內(nèi)的光強分布均勻。用這種方法記錄的隨機相移抽樣全息圖可以 滿足高質(zhì)量存儲密度的要求。隨機相移器的制作需要

36、先用計算機控制繪圖儀繪出隨機相移器的掩膜，經(jīng)過照相縮小到實際尺寸，然后用真空鍍膜法、光刻法或漂白法制成隨機相移器，相移的階數(shù)一般是兩? (階，最多是四階，階數(shù)越多，工藝越復(fù)雜。和) 4. 數(shù)字全息存儲器由于它的輸入和輸出端考慮與現(xiàn)有的電子器所示為數(shù)字全息存儲器的方塊圖。圖7.20件相兼容，因此在輸入和輸出端各自需要這樣的接口。將輸入的電信號變換為恰當形式的 光信號，將光信號變換成讀出的電信號。在大多數(shù)情況下，接口還具有緩沖的存儲能力。 228 數(shù)字光學(xué)全息存儲方塊圖7.20 圖信息是以干涉圖樣的形式存儲在介質(zhì)中的，對于全息存儲，存儲器的心臟是存儲介質(zhì)，光驅(qū)-并利用一尋址單元在存儲介質(zhì)上用光學(xué)方

37、法尋址來寫入和讀出信息，尋址單元則被電光學(xué)存儲器中的電子控制單元是作為所有存儲部件的同步-動或在某些情況下被機電驅(qū)動。器用的；而且，如果需要，為了寫入、讀出或擦除，可從尋址輸入和數(shù)據(jù)輸入中計算出適 當?shù)目刂菩盘杹硎勾鎯ζ鞯乃胁考ぷ鳌８鼜?fù)所示為數(shù)字全息圖的基本配置，它由組頁器全息圖探測器列陣構(gòu)成。圖7.25雜的海量存儲器是以此單元以及一些附加器件為基礎(chǔ)的，而這些附加器件則是用來對能并 行地存儲許多頁的存儲面上大量全息圖進行尋址的。 數(shù)字全息存儲器的基本配置圖7.21 y?x光束偏轉(zhuǎn)器。它能使寫入光束同參考通常采用在激光器的輸出光束中配置一個)yx,(從而可在存儲面上記錄許多并行排列的小全息圖

38、列陣，光束重疊在存儲面上任何點，yx?光束偏轉(zhuǎn)器對光束方向的變每一個小全息圖存儲一頁信息。組頁器上的信息變換、換是通過電光變換器同步快速地變化的。在讀出時，每一個小全息圖被一束方向與記錄該則成像在同一個探測器列陣)而其再現(xiàn)頁(信息小全息圖的參考光束相同的激光束所照射，所以只用一即不管小全息圖在存儲面上的位置如何，其再現(xiàn)像始終成在同一位置上()上只探測器來探測由所有小全息圖再現(xiàn)出的各個像。由此可知，激光束對全息圖的尋址是由y?x光束偏轉(zhuǎn)器來控制的，此偏轉(zhuǎn)器即為存儲器的尋址單元，它能控制光束使其指向每一個所需的全息圖上。在隨機存取存儲中，激光束是在相同的隨機存取時間內(nèi)導(dǎo)向和作用 在所需的小全息圖位

39、置上的。 229 7.2 半導(dǎo)體存儲技術(shù) 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機特別是微型機的主存幾乎全部采用半導(dǎo)體存儲器。 7.2.1 半導(dǎo)體存儲器特點 與磁芯存儲器相比，半導(dǎo)體存儲器具有明顯的優(yōu)勢： (1) 存取速度快、功耗低。半導(dǎo)體存儲單元與外圍電路均為電子線路，整個芯片可以工作在邏輯電平一級。 (2) 生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)過程便于自動化。整個生產(chǎn)過程采用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，可一次性完成。 (3) 體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉。在同樣存儲容量情況下只有磁存儲器的幾十分之一。 (4) 可靠性高。 半導(dǎo)體存儲器的主要缺點是斷電后會丟失信息，存儲單元保留信息需要一定功耗，動態(tài)系統(tǒng)需要定時刷新

40、，這就使得在一些使用場合中減少了系統(tǒng)的可用率。此外，其抗輻射性能也不如磁芯。 7.2.2 半導(dǎo)體存儲器的分類 半導(dǎo)體存儲器的分類方法主要有兩種：即按信息的存取方式分類和按所用材料的性質(zhì)分類。 1. 按信息的存取方式分類 按照信息的存取方式，半導(dǎo)體存儲器可分為隨機訪問存儲器(RAM，Random Access Memory-RAM)和只讀存儲器(ROM，Read Only Memory)。 (1) 隨機訪問存儲器RAM RAM存儲單元的存儲內(nèi)容按需要可以隨時讀出和隨時寫入。它的主要用途是用來存放各種正在執(zhí)行的輸入/輸出數(shù)據(jù)、處理程序、中間結(jié)果以及作堆棧用等。 RAM有靜態(tài)隨機訪問存儲器(Stat

41、ic RAMSRAM)和動態(tài)隨機訪問存儲器(Dynamic RAMDRAM)之分。 靜態(tài)隨機訪問存儲器SRAM。由固定穩(wěn)態(tài)及穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換來記憶信息“1”和“0”的RAM存儲器叫靜態(tài)RAM。它有以下特點： (a) 集成度高于雙極型RAM，但低于動態(tài)RAM。 (b) 不需要刷新。 (c) 功耗比雙極型低，但比動態(tài)RAM高。 (d) 易用電池作為備用電源。 (e) 存取時間較動態(tài)RAM長。 動態(tài)隨機訪問存儲器DRAM 靠電容的存儲電荷來表示所存內(nèi)容的RAM存儲器叫動態(tài)RAM。其特點是： (a) 集成度高于靜態(tài)RAM和雙極型RAM。 230 (b) 比靜態(tài)RAM功耗還要小。 (c) 比靜態(tài)RAM價格低。

42、 (d) 因其用電容來存儲信息，而電容總有泄漏電荷的現(xiàn)象，故要對其進行刷新(再生)。 (e) 它的存取時間略短于SRAM，但較雙極型長。 (2) 只讀存儲器ROM 只讀存儲器(ROM)中所存的內(nèi)容是預(yù)先給定的，在工作過程中，只能將其中所存的內(nèi)容按地址單元讀出，而不能寫入新的內(nèi)容。半導(dǎo)體只讀存儲器常作為計算機主存的一部分，用來存放一些固定的程序，如監(jiān)控程序、啟動程序、磁盤引導(dǎo)程序等。ROM也可作為控制存儲器，存放微程序，應(yīng)用于微程序控制器、字符顯示器等外用設(shè)備。只要一接通電源，這些程序就能自動地運行。這些存儲的信息是用特殊方法寫入的，一經(jīng)寫入就可以長期保存，不受電源斷電的影響。 從功能上說，RO

43、M可分為四種類型： 掩膜ROM(Mask ROM-MROM)。 可編程ROM(Programmable ROM-PROM)。 可擦除可編程ROM(Erasable PROM-EPROM)。 在系統(tǒng)可擦除可編程ROM。這類ROM包括電可改寫EPROM(Electrically 2PROM)和快閃存儲器(Flash Memory)。它們不僅有EPROMEPROM-EEPROM or E的性能，而且改寫過程可直接在工作系統(tǒng)中進行，無需專用設(shè)備。 2. 根據(jù)所用材料的性質(zhì)分類 根據(jù)所用材料的性質(zhì)，半導(dǎo)體存儲器又可分為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal Oxie Semiconductor-MOS

44、)存儲器、雙極型晶體管(Bipolar)存儲器和雙極-CMOS(Bi-CMOS)存儲器。 (1) MOS存儲器 MOS存儲器以MOS晶體管為基本元件。MOS晶體管由源、漏、柵三部分構(gòu)成，如圖7.22所示。根據(jù)工藝的不同又可分為PMOS(僅使用P溝MOS)、NMOS(僅使用N溝MOS)以及CMOS(P溝、N溝混合使用)三種。當襯底為N型硅，源與漏由距離較近的兩個高注入P型區(qū)域構(gòu)成時，稱為P溝MOS晶體管；反之，則稱為N溝MOS晶體管。 圖7.22 P溝金屬柵MOS結(jié)構(gòu) 若混合采用P溝和N溝，使其成為互補結(jié)構(gòu)形式時，則為互補MOS晶體管(Comlementary MOS-CMOS)。柵極為一層沉積

45、金屬層，金屬層與源、漏之間間隔了一層氧化層，它與源、漏之間是絕緣的。源、漏、柵與基底之間也是絕緣的，其輸入阻14以上。柵作為控制極加上一定電壓后(即所謂的開啟電壓)，則源、漏間抗可高達10 231 產(chǎn)生溝道，使MOS導(dǎo)通。其中，PMOS制造技術(shù)比較容易實現(xiàn)，故開發(fā)初期多數(shù)采用PMOS；但PMOS功耗大、集成度較低。隨著工藝技術(shù)的進步，更多地采用NMOS和CMOS。NMOS的開啟電壓低，便于與TTL匹配。此外，速度也比PMOS快。CMOS電路具有無靜態(tài)功耗，輸出電壓幅度大等優(yōu)點。它的DRAM外圍電路不需要預(yù)充和自舉，可采用全靜態(tài)電路和較簡單的時序控制靜態(tài)電路形式，工作速度更快、更可靠，但其工藝復(fù)

46、雜。 與雙極型存儲器相比，MOS的主要優(yōu)點是工藝簡單、集成度高、功耗低。因而容量較大、價格便宜，但其工作速度較低。由于提供電流較小，驅(qū)動負載能力也較小。 (2) 雙極型存儲器 雙極存儲器以雙極晶體管為基本有源元件，有NPN與PNP型兩種。存儲電路主要有2L(集成注入邏輯)三種形式。其中EL射極耦合、ECL()和I電路晶體管TTL(-晶體管-邏輯)2L電路集成度較高。ITTL用得最為廣泛。雙極存儲器的主的特點是速度快，但功耗大。要優(yōu)點是速度高，驅(qū)動能力強，通常用于高性能的場合；但由于它工藝比較復(fù)雜，且集成度比MOS低，故成本較高。此外，由于雙極晶體管是電流控制器件，即導(dǎo)通時需要電流流入晶體管基極

47、和發(fā)射極回路中去，因此要維持晶體管的工作，就要消耗功率；而MOS晶體管是電壓控制器件，其柵極于源、漏之間不存在直接通路，而電流僅為泄漏電阻所構(gòu)成，因而功耗極小。 (3) Bi-CMOS存儲器 Bi-CMOS工藝將雙極電路及CMOS電路兩種工藝制造方法制作在同一芯片上，這是MOS工藝發(fā)展的一個新支，它兼有雙極型的高速度及MOS高集成度的優(yōu)點。 7.2.3 半導(dǎo)體存儲器的基本結(jié)構(gòu)和組成 一個半導(dǎo)體存儲器芯片內(nèi)，除了存儲單元陣列外，還包括讀寫電路、地址譯碼電路和驅(qū)動器等，存儲芯片通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與外部連接。地址總線是單向輸入的，其數(shù)目與芯片容量有關(guān)。數(shù)據(jù)線是雙向的，既可輸入，也可輸出

48、，其數(shù)目與數(shù)據(jù)位數(shù)有關(guān)?？刂凭€主要有讀/寫控制線與片選線兩種。其框圖示于圖7.27中。 1. 存儲單元陣列 存儲單元是組成存儲器的基礎(chǔ)和核心，它用來存儲一位二進制信息“0”或“1”。存儲單元陣列是存儲元的集合，如果一個存儲單元為n位，則需由n個存儲元才能組成一個存儲單元。在較大容量的存儲器中，往往把各個字的同一位組織在一個集成片中。例如，圖7.23中的40961位，是指4096個字的同一位。由這樣的16個片子則可組成409616的存儲器。同一位的這些字通常排成矩陣的形式，如6464=4096。由X選擇線一行線和Y選擇線一列線的交叉來選擇所需要的單元。 232 存儲器示意圖 典型的RAM圖7.2

49、3 地址寄存器和地址譯碼器2. 上輸出此單元的地址信號，A，就在地址總線A中央處理器若要訪問某“存儲單元”110地址譯碼器把來自地址寄存器的表示地址的二進制代碼轉(zhuǎn)換成輸出并存放于地址寄存器。 端的高電位，用來驅(qū)動相應(yīng)的讀寫電路，以便選擇所要訪問的存儲單元。地址譯碼有兩種方式：一種是單譯碼方式，也稱字選法；另一種是雙譯碼方式，也稱 位選法或重合法。如一字()，直接選中一個存儲單元的各位線選法存儲器的特點是用一根字選擇線(字線地址譯碼器只有一個，譯碼器的輸出叫字選線，而字選線選擇某個字。在這種方式中，節(jié))4個狀態(tài)，2=16n=4，經(jīng)地址譯碼器譯碼，可譯出(某存儲單元)的所有位。例如，地址輸入線 個

50、字地址。這種方式結(jié)構(gòu)較簡單，但只適于容量不大的存儲器。分別對應(yīng)16兩個方向地址決定的。為了節(jié)省驅(qū)動電路，存儲器YX、雙譯碼方式是指被選單元是中通常采用雙譯碼結(jié)構(gòu)。采用雙譯碼結(jié)構(gòu)可以減少選擇線的數(shù)目。在這種譯碼方式中，地n/2個輸出n/2個輸入端，它可以譯出2址譯碼器分成X向和Y向兩個譯碼器，若每一個有nnn/2/2為地址輸輸出狀態(tài)，其中狀態(tài)，那么兩個譯碼器交叉譯碼的結(jié)果，共可譯出2=22nn/2，雙譯碼輸出狀態(tài)為=12n根。例如入量的二進制位數(shù)。但此時譯碼輸出線卻只有22612 條譯碼線。=128根。若采用單譯碼方式，則需要=4096個，而譯碼線僅只有2240962的矩陣，64個字排成641的

51、存儲單元矩陣如圖7.24示。40964096采用雙譯碼結(jié)構(gòu)的條選擇線，分地址譯碼器，它輸出64AA輸入至X，其中它需要12根地址線AA51100列，16464條選擇線，分別選擇A行；A輸入至Y地址譯碼器，它也輸出164別選擇116，譯碼選中了A方向由A控制各列的位線控制門。例如，輸入地址為000000000000，X50個存儲元分別與各自的位線相連，但能否與輸64為高電平，因而其控制的第一行，則X1為高電平，從而時，Y全為A入輸出線接通，還要受各列的位線控制門控制。在A01611這個存，(11) 選中第一列，第一列的位線控制門打開，故最后譯碼的結(jié)果選中了左上角的 233 儲單元。 雙譯碼存儲器

52、結(jié)構(gòu)7.24 圖 驅(qū)動器3. 例如在方向選擇線要控制掛在其上的所有存儲元電路，一條X由于在雙譯碼結(jié)構(gòu)中，個電路，故其所帶的電容負載很大。為此，需要在譯碼器輸出后加驅(qū)中要控制6440961 X方向選擇線上的所有存儲元電路。動器，由驅(qū)動器輸出去驅(qū)動掛在各條 4. I/O電路它處于數(shù)據(jù)總線和被選用的單元之間，用以控制被選中的單元讀出或?qū)懭?，并具有?大信息的作用。CS(Chip Select) 片選控制器5. 單存儲容量是有限的，所以需要一定數(shù)量的片子按一定方式進行連接后才能組成一個完整的存儲器。在地址選擇時，首先要對片子進行選擇。通常用地址譯碼器的輸出和一些控制信號(如讀/寫命令)來形成片選信號。

53、只有當片選信號有效時，才能選中某一片，此片所連的地址線才有效，這樣才能對這一片上的存儲元進行讀操作或?qū)懖僮鳌Ｓ闷x信號來確定哪個芯片被選中。讀/寫控制線決定芯片進行讀/寫操作。至于是讀還是寫，取決于中央處理器所給的命令是讀命令還是寫命令。 6. 輸出驅(qū)動電路三態(tài)輸出緩沖器 為了擴展存儲器的容量，常需要將幾個集成片的數(shù)據(jù)線并聯(lián)使用。另外，存儲器的讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)都放在雙向的數(shù)據(jù)總線上。這就用到三狀態(tài)輸出緩沖器。標準的邏輯門只有“1”和“0”兩個狀態(tài)，而三態(tài)邏輯門，除了通常的“1”和“0”輸出態(tài)外，還有輸出為高阻懸浮狀態(tài)的第三態(tài)。 此外，在動態(tài)RAM中，還有預(yù)充、刷新等方面的控制電路。 234

54、7.2.4 快閃存儲器(Flash Memory) 2PROM的制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生和E快閃存儲器又稱閃爍存儲器，它是在EPROM的一種新型的電可擦除、非易失性記錄器件。 2PROM為帶為單管單元疊柵器件，編程靠溝道熱電子，擦除靠紫外光。而EEPROM有選擇管的兩管單元，編程和擦除均靠F-N遂道效應(yīng)。其可在系統(tǒng)中進行可編程，還可通過譯碼對個別位進行擦除和改寫，因此，系統(tǒng)調(diào)試很方便。 閃爍存儲器采用PEROM單管單元結(jié)構(gòu)，其加工工藝和編程機理都與EPROM類似，2PROM的隧道氧化層。因此，它既具有EEPROM的價格便宜、集成只是浮柵氧化層采用2PROM的電可擦除性和可重寫性。而且它的訪問時間

55、短(小于60ns)，度高的優(yōu)點，又具有E擦除和重寫的速度快。一塊1M位的閃爍存儲芯片，其擦除和重寫一遍的時間少于5s，比2PROM要快得多。由于單元面積小，集成度可做到EPROM的水平，一般標準的E且全塑2PROM那樣逐個字節(jié)進行擦除、不能像E重寫，料封裝，成本較低。但是它只能整片擦除，而且允許擦除的次數(shù)有限，目前只能達到10萬次左右。 1. 快閃存儲器的工作原理 快閃存儲單元如圖7.25所示。它是在MOS管中印入一個浮柵。此浮柵與源極、漏極以及控制柵之間都是電絕緣的。柵氧化層的厚度為1020nm，其信息寫入與讀出原理與EPROM類似。假設(shè)，浮柵上注入電子狀態(tài)表示“1”，無注入電子狀態(tài)表示“0

56、”。當漏極以及控制柵均加高壓，源極接地時，漏極與控制柵間形成的電場使溝道中運動的電子加速，這些高能量的電子中的一部分將會獲得足夠的能量以穿過柵氧化層到達浮柵。高壓撤除后，這些電子由于沒有通路將仍被限制在浮柵上。讀取信息時，在控制柵加上工作電壓(+12V)，根據(jù)溝道有否電流流過，即可判斷“1”和“0”。 信息的擦除過程為：將控制柵隔離(斷開)，漏極接地，源極接正高壓，使柵氧化層兩邊產(chǎn)生一個強電場，引起所謂的F-N(Fowler-Nordheim)隧道效應(yīng)，即將電子從浮柵上拉下來，并在電場的加速下到達源極而復(fù)合掉，從而達到擦除的目的。 圖7.25 快閃存儲單元 2. 快閃存儲器與其它存儲器的性能

57、(1) 與其它半導(dǎo)體存儲器性能的比較 從非易失性來看，半導(dǎo)體ROM是最早出現(xiàn)的一種非易失性存儲器(NVM)，而現(xiàn)在又是最便宜的一類半導(dǎo)體存儲器。它是在擴散級進行編程的，所以價格便宜，但不具有電可編程性(即所謂的靈活性差)。掩膜ROM主要用于設(shè)計成本低且量大的應(yīng)用領(lǐng)域。 在20世紀80年代至1995年期間，EPROM在非易失性存儲器市場中占有領(lǐng)先地位， 235 ，但擦除不)它的競爭優(yōu)勢在于熱電子注入浮柵的方法使其具有可編程性(即所謂的靈活性可在系統(tǒng)中進行，而要用紫外光，因此，需要一種特殊的陶瓷封裝材料，這就使成本大大，它只能一次性編程，故被稱EPROM提高。另外，有一種組裝在無窗口的塑料封裝中的