5信息存儲材料與器件

2024/11/71第五章信息存儲材料與器件2024/11/72信息存儲材料是指用于各種存儲器的一些能夠用來記錄和存儲信息的材料。這類材料在一定強(qiáng)度的外場（如光、電、磁或熱等）作用下會發(fā)生從某種狀態(tài)到另一個狀態(tài)的突變，并能使變化后的狀態(tài)保持比較長的時間，而且材料的某些物理性質(zhì)在狀態(tài)變化前后有很大差別。通過測量存儲材料狀態(tài)變化前后的這些物理性質(zhì)，數(shù)字存儲系統(tǒng)就能區(qū)別材料的這兩種不同狀態(tài)并用“0”和“1”來表示他們，從而實現(xiàn)存儲。2024/11/73計算機(jī)存儲器系統(tǒng)外存的特點：容量大、單位容量成本低、非易失性、尋址和訪問速度慢、存儲體可更換等。計算機(jī)存儲系統(tǒng)內(nèi)存、cache外存磁存儲器光存儲器磁盤磁帶軟磁盤硬磁盤其他磁盤存儲器CDDVDDVD-R….VCDCD-R….半導(dǎo)體存儲器Flash電子盤2024/11/74磁存儲材料半導(dǎo)體存儲器材料光存儲材料2024/11/75一、磁存儲材料1.1磁存儲原理磁化曲線和磁滯回線磁存儲密度D與磁存儲材料的關(guān)系：其中，h為磁性薄膜的厚度，Hc為矯頑力，Mr為剩余磁化強(qiáng)度，m為與磁滯回線的磁形度有關(guān)的因子。2024/11/76水平存儲示意圖磁存儲的模式主要分為兩種：水平（縱向）存儲模式、垂直存儲模式2024/11/771.2磁存儲系統(tǒng)磁存儲系統(tǒng)組成：磁頭（換能器）、記錄介質(zhì)（存儲介質(zhì)）、匹配的電路和伺服機(jī)械（傳送介質(zhì)裝置）。磁頭是磁存儲的核心部件之一，按其功能可分為記錄磁頭、重放磁頭和消磁磁頭三種。記錄磁頭：將輸入的記錄信號電流轉(zhuǎn)變?yōu)榇蓬^縫隙處的記錄磁化場，并感應(yīng)磁存儲介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。重放磁頭：當(dāng)磁頭經(jīng)過磁介質(zhì)時，磁存儲介質(zhì)的磁化區(qū)域會在磁頭導(dǎo)線上產(chǎn)生相應(yīng)的電流，即把已記錄信號的存儲介質(zhì)磁層表露磁場轉(zhuǎn)化為線圈兩端的電壓，經(jīng)電路放大和處理，獲得信號。消磁磁頭：將信息從磁存儲介質(zhì)上抹去，使磁層從磁化狀態(tài)返回到退磁狀態(tài)。2024/11/78磁記錄/重放過程示意圖2024/11/79細(xì)看硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)2024/11/710硬盤磁頭及附屬組件2024/11/711磁頭組件。這個組件是硬盤中最精密的部位之一，它由讀寫磁頭、傳動手臂、傳動軸三部份組成。磁頭是硬盤技術(shù)中最重要和關(guān)鍵的一環(huán)，實際上是集成工藝制成的多個磁頭的組合，它采用了非接觸式頭、盤結(jié)構(gòu)，加電后在高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面移動，與盤片之間的間隙只有0.1～0.3μm，這樣可以獲得很好的數(shù)據(jù)傳輸率?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)速為7200RPM的硬盤飛高一般都低于0.3μm，以利于讀取較大的高信噪比信號，提供數(shù)據(jù)傳輸率的可靠性。2024/11/7121.3磁存儲材料鐵磁性物質(zhì)分為：軟磁性材料

矯頑力低、磁導(dǎo)率高、磁滯損耗低、易磁化、易退磁

用于磁頭磁芯材料，包括軟鐵磁性合金材料和軟鐵磁性鐵氧體材料。硬磁性材料

矯頑力高、磁導(dǎo)率低、磁滯特性顯著用于磁記錄介質(zhì)材料，包括磁帶、硬磁盤、軟磁盤、磁卡片等，可以為磁粉（顆粒）涂布型介質(zhì)或者連續(xù)薄膜型介質(zhì)。2024/11/713A磁頭材料磁頭基本功能是與磁存儲介質(zhì)構(gòu)成磁性回路，對信息進(jìn)行加工，包括記錄、重放、消磁等功能。按工作原理可分為磁阻式磁頭和磁感應(yīng)式磁頭。（1）磁阻式磁頭磁性材料的電阻隨著磁化狀態(tài)而改變的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。用于磁電阻讀出的磁性材料，應(yīng)具有最小的磁致伸縮系數(shù)。優(yōu)點：靈敏度高、分辨率高、輸出與磁帶速度無關(guān)。缺點：需要足夠大的電流或偏置磁場才能驅(qū)動，且沒有記錄功能2024/11/714（2）磁感應(yīng)式磁頭磁性合金最早應(yīng)用磁頭用磁性合金疊成。最重要三種合金是鉬坡莫（鉬鐵鎳）合金、鋁鐵合金、鋁硅鐵合金。非晶態(tài)合金鐵基非晶態(tài)合金，適于作視頻磁頭材料鈷基非晶態(tài)合金，磁導(dǎo)率高、居里溫度高鐵氧體鎳鋅鐵氧體，成分(NiO)x(ZnO)1-x(Fe2O3)

錳鋅鐵氧體，成分(MgO)x(ZnO)1-x(Fe2O3)薄膜磁頭材料由鎳鐵合金制成，含80％Ni＋20％鐵?？梢圆捎谜婵照舭l(fā)、濺射和電解工藝來制作。2024/11/715B磁帶、磁盤存儲材料磁帶

優(yōu)點：價格便宜、數(shù)據(jù)載體可以更換、存儲容量可以隨意擴(kuò)充缺點：只能按順序存取結(jié)構(gòu)：主要由磁性材料、帶基、黏結(jié)劑和添加劑組成。材料：磁性材料有磁性粉末材料和磁性薄膜材料兩種帶基選用聚氯乙稀和聚酯薄膜等材料2024/11/716

硬磁盤技術(shù)的進(jìn)展時間 1992 1995 1998 2000 2003儲存容量(GB) 0.6 0.9 5-10 10 >50儲存密度(Gb/in2) 0.1 0.8 4 6 20數(shù)據(jù)率(Mb/s) 16 100 150 350 500存取時間(ms) 30 20 10 6 5磁介質(zhì)材料： 磁性氧化物（氧化鐵）涂在塑料和金屬薄片上（70’）， 超細(xì)磁性氧化物粉末及磁性氧化物薄膜（80’）， 連續(xù)磁性介質(zhì)CoCrPt,CoCrTa薄膜（90’），

CoSm,Fe/Pt,Fe/Cr,Co/Cu多層膜。

磁盤2024/11/717材料種類性能飽和磁矩emu/g居里溫度℃磁晶各向異性常數(shù)erg/cm3矯頑力Oe矩形比氧化物磁粉γ-Fe2O3Fe3O4γ-CoxFe2-xO3CoxFe3-xO4BaFe12O19748444-5065-8058590575520-5704.64×1041.1×1091×1063-6×1053.3×104250-365350-450400-600600-980200-20000.7-0.80.70.70.65-0.1<0.94金屬磁粉FeFe-Co104-159107-200700-9004.8×1054.8×105645-740900-10000.57-0.90.9金屬薄膜FeCo-Ni-P218-1207704.8×105>800300-13000.950.75-0.9各種磁記錄介質(zhì)的主要性能2024/11/718C磁泡存儲材料磁泡形成示意圖垂直于晶體的易磁化軸切出薄片，當(dāng)它的單軸磁各向異性強(qiáng)度大于表面磁化引起的退磁場強(qiáng)度的自發(fā)極化時，在退磁狀態(tài)下出現(xiàn)彎曲的條狀磁疇。這時磁疇的磁化方向只能取向上或向下方向。2024/11/719磁泡受控于外加磁場，在特定位置出現(xiàn)或消失，對應(yīng)于計算機(jī)中的“1”和“0”，用于存儲器。由于磁泡的尺寸只有幾微米，單位面積存儲的信息量非常大。具有容量大、體積小、功耗低、可靠性高、運(yùn)算速度快等優(yōu)點。磁泡材料要求：磁泡疇壁矯頑力低、疇壁遷移率高、磁泡薄膜厚度要薄、穩(wěn)定性好、品質(zhì)因子高。磁泡材料：

石榴石鐵氧體，以釓鎵石榴石為襯底，采用外延法生長可產(chǎn)生磁泡的含稀土的石榴石薄膜。六角鐵氧體2024/11/720D巨磁電阻存儲材料巨磁電阻效應(yīng)（Giantmagnetoresistance，GMR）指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁電阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。通常情況下，金屬導(dǎo)電與電子的自旋方向無關(guān)。而在磁性多層膜中，導(dǎo)電電子傳導(dǎo)時遇到的阻礙與電子自旋的方向有關(guān)。自旋磁矩與磁化方向相同的導(dǎo)電電子常比自旋相反的電子更容易傳導(dǎo)，因而有更低的電阻，這種與自旋相關(guān)的導(dǎo)電性質(zhì)，導(dǎo)致了磁性多層膜的巨磁電阻效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，可制成計算機(jī)高密度磁頭提高磁盤面記錄密度。2024/11/721二、半導(dǎo)體存儲器材料半導(dǎo)體存儲器分類：按制造工藝

雙極型：存儲速度快，功耗大，集成度小

MOS型：存儲速度慢、功耗小、集成度高、成本低按功能

隨機(jī)存取存儲器（randomaccessmemory，RAM）

只讀存儲器（readonlymemory，ROM）

順序存取存儲器（sequentialaccessmemory，SAM）2024/11/7222.1隨機(jī)存取存儲器RAM靜態(tài)RAM：SRAM動態(tài)RAM：DRAMSRAM的存儲單元由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，特點是在沒有外界觸發(fā)信號作用時，觸發(fā)器狀態(tài)穩(wěn)定，只要不斷電，即可長期保存所寫入的信息。2024/11/723單管MOS動態(tài)存儲單元DRAM的存儲單元利用MOS管的柵極電容對電荷的暫存作用來存儲信息。由于任何PN結(jié)總有結(jié)漏電流，這種方法保存的信號會丟失。常用DRAM存儲器單元有四管、三管和單管三種形式。單管單元有一個小電容C和一個門控管V構(gòu)成。DRAM集成度高、功耗低、生產(chǎn)成本低，適于制造大容量存儲器。2024/11/7242.2只讀存儲器ROM固定ROM可編程ROM：PROM可擦除可編程ROM：EPROM

閃爍只讀存儲器（flashROM）

固定ROM由生產(chǎn)廠家采用掩膜技術(shù)制備，所存儲的內(nèi)容不能改動，不能另行寫入信息。用于存儲內(nèi)容確定且用量較大的場合。2024/11/725可編程ROM：PROMPROM允許用戶進(jìn)行一次編程操作。出廠時其存儲單元全制成“0”和“1”，用戶可以根據(jù)需要寫入要存儲的內(nèi)容，但只可寫入一次，不可更改。這種存儲器的每個單元中的晶體管都與一根熔斷絲（或熔接絲）相連，或者把單元做成背靠背的二極管對。編程時用戶將編程數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，計算機(jī)控制編程器向存儲器施加電流脈沖，根據(jù)需要熔斷（或熔合）熔絲或擊穿反接的二極管，實現(xiàn)對存儲器的編程。熔斷絲或熔接絲采用為多晶硅或鎳鉻合金。2024/11/726可擦除可編程ROM：EPROM

紫外光可改寫存儲單元結(jié)構(gòu)EPROM分為兩種：

紫外光改寫的只讀存儲器UVEPROM（a）寫入：漏極上加高壓脈沖使漏結(jié)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，從而產(chǎn)生高能電子，部分能量大的電子注入浮置柵擦除：用強(qiáng)紫外光照射芯片，使浮置柵上的電子獲得足夠的能量而逃逸

電可改寫只讀存儲器E2PROM（b）寫入：控制柵加足夠高的正電壓，漏極接地。電子穿越隧道給浮柵充電擦除：控制柵接地，漏極加上適當(dāng)高的正電壓，從浮柵上吸出注入的電子特點：浮置柵和漏極之間氧化層非常薄2024/11/728閃爍只讀存儲器（flashROM）

FlashROM存儲器單元結(jié)構(gòu)存儲單元由一個雙層多晶浮柵MOS晶體管構(gòu)成。該晶體管以P＋型半導(dǎo)體為襯底，以兩個N＋區(qū)分別為源和漏，源與襯底之間為隧道氧化物N－，漏與襯底之間為P型半導(dǎo)體。包圍于SiO2層的浮柵有兩個，其中靠近襯底的一個浮柵無引出線與外界相連。另一個浮柵靠一根引出線與控制柵相連。隧道氧化層非常薄，只有10～20nm。FlashROM工作原理：

寫入：在控制柵上加足夠高的正電壓Vpp，在漏極上施加比Vpp稍低的電壓，源極接地。源區(qū)的電子在溝道電場作用下向漏區(qū)運(yùn)動，一些熱電子越過氧化層進(jìn)入浮置柵。

擦除：利用隧道效應(yīng)實現(xiàn)的，源極正電壓，控制柵接負(fù)電壓，漏極浮空，浮置柵電子穿過氧化層進(jìn)入源區(qū)。2024/11/730三、光盤存儲材料光存儲器簡稱光盤，是近年來頗受重視的一種外存設(shè)備，更是多媒體計算機(jī)不可缺少的設(shè)備。光盤采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)(如反射率、偏振方向)的變化來表示所存儲信息的“1”或“0”。按讀寫性質(zhì)來分，光盤分為只讀型、一次型、重寫型三類。2024/11/731

只讀型光盤CD-ROM

只讀型光盤是廠商以高成本制作出母盤后大批重壓制出來的光盤。這種模壓式記錄使光盤發(fā)生永久性物理變化，記錄的信息只能讀出，不能被修改。典型的產(chǎn)品有：

LD俗稱影碟，記錄模擬視頻和音頻信息，可放演60分鐘全帶寬的PAL制電視。

CD-DA數(shù)字唱盤，記錄數(shù)字化音頻信息，可存儲74分鐘數(shù)字立體聲信息。

VCD俗稱小影碟，記錄數(shù)字化視頻和音頻信息?？纱鎯?4分鐘按MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼的動態(tài)圖像信息。

DVD數(shù)字視盤。單記錄層容量為4.7GB，可存儲135分鐘按MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼的相當(dāng)于高清晰度電視的視頻圖像信息和音頻信息。

CD-ROM主要用作計算機(jī)外存儲器，記錄數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，也可同時記錄數(shù)字化視頻和音頻信息。2024/11/732CD－ROM（CompactDiskReadOnlyMemory），意譯為只讀式緊湊光盤。出現(xiàn)于1983年，1988年訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。CD－ROM利用聚焦成1μm直徑光斑的780nm的高能量激光束在存儲介質(zhì)上進(jìn)行光學(xué)讀寫而獲得的。CD－ROM光盤上有一條從內(nèi)向外由凹坑和凸區(qū)（平坦表面）相互交替組成的連續(xù)的螺旋形路徑，在這條路徑上，每個信號元素所占的長度是相等的。2024/11/733只讀式CD或DVD表面凹坑結(jié)構(gòu)示意圖2024/11/734CD-ROM制作過程分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、陽母盤制作、金屬壓模盤制作和光盤制作四個階段。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：通過收集、整理、編輯、調(diào)制等步驟將欲存儲的信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號；陽母盤制作：在玻璃母盤上均勻涂上一層光刻膠，利用調(diào)制過的激光照射后，用化學(xué)方法使曝光部分脫落，在母盤上形成凹坑pit和平臺land結(jié)構(gòu)。金屬壓模盤制作：在陽母盤上沉積較厚的金屬層，然后將金屬層與母盤分離，形成金屬的陰母盤，稱為壓模盤。光盤制作：將融化的聚碳酸酯注入模板，用壓模成型的方法將壓模上的凹陷和凸起以負(fù)像的方式復(fù)制到聚碳酸酯盤表面。待聚碳酸酯凝固后，在數(shù)據(jù)面上鍍覆金屬鋁作為反射層，再在反射層上加保護(hù)層，形成CD-ROM光盤。2024/11/735讀盤原理

光盤上存儲的各種類型的信息（音樂（Audio）、數(shù)據(jù)（Data）視頻（Video）等），都經(jīng)過數(shù)字化處理變成“0”與“1”，其所對應(yīng)的就是光盤上的Pits（凹點）和Lands（平面）。當(dāng)激光照射到盤片上時，如果是照在Lands上，那么就會有70％到80％激光被反射回；如果照在Pits上，就無法反射回激光。根據(jù)反射和無反射的情況，光盤驅(qū)動器就可以解讀"0"或"1"的數(shù)字編碼了。

2024/11/736技術(shù)參數(shù)CD/VCDDVD聚焦物鏡數(shù)值孔徑糾錯編碼冗余度通道碼調(diào)制方式激光波長光斑直徑光道間距凹坑最小長度凹坑寬度信息容量0.4531％8/17調(diào)制780nm1.74μm1.6μm0.83μm0.6μm650MB0.615.4％8/16調(diào)制650/635nm1.08μm0.74μm0.4μm0.4μm4.7GB(單面單層）只讀式CD和DVD光盤技術(shù)參數(shù)比較2024/11/737

用戶可以在這種光盤上記錄信息，但記錄信息會使介質(zhì)的物理特性發(fā)生永久變化，因此只能寫一次。寫后的信息不能再改變，只能讀。典型產(chǎn)品是可記錄光盤（CD-R）。用戶可在專用的CD-R刻錄機(jī)上向空白的CD-R盤寫入數(shù)據(jù)，制作好的CD-R光盤可放在CD-ROM驅(qū)動器中讀出。一次型光盤writeoncereadmany,WORM2024/11/738根據(jù)記錄方式不同，一次型光盤記錄介質(zhì)有如下類型：

燒蝕型對碲基合金等光盤介質(zhì)，利用激光熱效應(yīng)，使光照微區(qū)熔化、冷凝并形成信息凹坑起泡型由高熔點金屬和聚合物兩層薄膜形成，光照使聚合物分解排出氣體，兩層間形成氣泡使膜面隆起，與周圍形成反射率的差異，以實現(xiàn)反差記錄一次寫入光盤信息記錄方式2024/11/739熔絨型用離子束刻蝕硅表面，使之形成絨面結(jié)構(gòu)，光照微區(qū)使絨面熔成鏡面，實現(xiàn)反差記錄合金化型用Pt－Si、Rh－Si等制成雙層結(jié)構(gòu)，光照微區(qū)使雙層結(jié)構(gòu)熔成合金，形成反差記錄相變型多用As2Se3，Sb2Se3等硫系二元化合物制成，光照微區(qū)使之發(fā)生相變，利用兩相反射率的差異記錄信息一次寫入光盤信息記錄方式2024/11/740一次性光盤的膜層結(jié)構(gòu)一般分為襯底層、記錄層、反射層和保護(hù)層。記錄方式通常為記錄層薄膜吸收寫入激光能量后由于熱效應(yīng)產(chǎn)生燒蝕，形成凹坑或氣泡以實現(xiàn)信息記錄，同時利用凹坑或氣泡與周圍介質(zhì)的反射率差別來實現(xiàn)信息的讀出。記錄層材料：對記錄光波長的吸收系數(shù)大；熱燒蝕的溫度低；凹坑或氣泡規(guī)整、均勻，與周圍介質(zhì)反射率差值大、長期穩(wěn)定。記錄層材料：碲（Te）的合金膜，如As-Te、AsTe-Se、Te-Bi、Te/Te-Se2024/11/741此外，記錄薄膜層也可采用有機(jī)材料，利用有機(jī)染料吸收寫入激光能量，因熱過程使染料分解，由此引起染料的漂白和鼓泡、在PC塑料中的暴沸和變形等。這類光盤的壽命由有機(jī)染料薄膜和記錄點結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性決定。有機(jī)一次記錄材料有花菁染料（綠盤）、酞菁（金盤）和偶氮染料。2024/11/742重寫型光盤用戶可對這類光盤進(jìn)行隨機(jī)寫入、擦除或重寫信息。典型的產(chǎn)品有兩種：

MO磁光盤寫入數(shù)據(jù)：熱磁效應(yīng)

當(dāng)激光束將磁光介質(zhì)上的記錄點加熱到居里點溫度以上時，外加磁場作用改變記錄點的磁化方向，而不同的磁化方向可表示數(shù)字“0”和“1”。讀出數(shù)據(jù)：磁光克爾效應(yīng)

當(dāng)激光束照射到記錄點時，記錄點的磁化方向不同，會引起反射光的偏振面發(fā)生左旋或右旋，從而檢測出所記錄的數(shù)據(jù)“1”或“0”。擦除

利用激光束掃描光盤信道，同時施加與磁光盤初始磁場方向相同的磁場，使各記錄單元的磁化方向復(fù)原。PC相變盤利用相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)來記錄信息。

寫入激光束對記錄點加熱再快速冷卻后，從而呈現(xiàn)為非晶態(tài)。讀出用弱激光來掃描相變盤，晶態(tài)反射率高，非晶態(tài)反射率低，根據(jù)反射光強(qiáng)弱的變化即可檢測出“1”或“0”。擦除利用激光束使光盤某點溫度升高到低于材料的熔點而高于非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，使產(chǎn)生重結(jié)晶而恢復(fù)成多晶結(jié)構(gòu)。

無論是磁光盤還是相變盤，介質(zhì)材料發(fā)生的物理特性改變都是可逆變化，因此是可重寫的。

2024/11/744磁光型和相變型可擦重寫光盤工作原理2024/11/745MO磁光盤材料稀土－過渡金屬（RE-TM）非晶態(tài)合金薄膜成分可以連續(xù)變化，磁性能在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。缺點是穩(wěn)定性差，不利于信息資料的長期保存。石榴石氧化物薄膜在短波長時有很大的磁光效應(yīng)，抗氧化性和抗輻照性好，適于航空航天和軍事用途，但制作成本較高。Pt-Co合金薄膜和Pt-Co成分調(diào)制膜

Pt-Co成分調(diào)制膜是將Pt和Co按一定厚度作周期性交替生長的多層薄膜，是藍(lán)光高密