FLASH的工作原理与应用

 

 

 

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FLASH的工作原理与应用

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什么是FLASH?

 

Flash闪存是一种非易失性半导体存储器，它结合了ROM（只读存储器）和RAM（随机访问存储器）的优点，具有电子可擦除和可编程的性能，即使在断电的情况下也能保持数据不丢失。

Flash存储器的读取速度非常快，适合用于频繁读取数据的应用场景。它的工作原理是通过控制电子在半导体材料中的移动来存储和擦除数据。Flash内存的主要类型包括SPI NOR Flash和Parallel NOR Flash，它们都支持快速随机读取，并且可以在系统中直接执行代码

 

 

 

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闪存的种类：NAND 型和 NOR 型

 

闪存由 “存储数据的存储单元以及连接单元之间的布线, 字线(Word Line)、位线(Bit Line)和源极线(Source Line)” 组成。每条布线的作用如下：字线：用于发送选择存储单元的信号的线。位线：用于发送向单元读写数据的数据线。源极线：用于对位线的电压进行放电的线。闪存根据存储单元与布线的连接方式分为 “NAND 型” 和 “NOR 型”。

Nand1989年，东芝公司发表了NAND flash结构。其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等

 

特点：布线少，集成度高，但不能随机读取单元。

 

NOR是intel公司1988年开发出了NOR flash技术。NOR的特点是芯片内执行(XIP,eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash 闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入

和擦除速度大大影响了它的性能Q。

 

特点：布线多，集成度低，但可以随机读取单元。NAND 型由于容量大且价格低廉，被用作数码相机的存储卡、电脑的 USB 闪存盘和固态硬盘等。另一方面，NOR 型被用于路由器、打印机、车载设备等不能使用硬盘的环境中，用于保存固件等。

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FLASH的基本结构

Flash存储器的基本存储单元是浮栅场效应管（Floating Gate FET），它有四个端电极：源极（Source）、漏极（Drain）、控制栅极（Control Gate）和浮置栅极（Floating Gate）。浮栅场效应管通过浮栅中是否存在电荷来表征数字0和1

闪存单元在 P 型半导体基板上设有 N+ 型的源极和漏极。在 P 型衬底上依次堆叠着隧道氧化膜、浮置栅极FG、控制氧化层(绝缘膜)和控制栅极CG。

浮置栅极FG(floating gate)：用于存储电荷的栅极。有无电荷分别对应存储器的 0 和 1

控制栅极CG(control gate)：通过施加电压来收集浮置电荷的电极。具有与 MOSFET 的栅极相同的功能。

隧道氧化层：几纳米厚的薄氧化膜(绝缘膜)，由于很薄，在施加高电压时会导通电流(隧道电流)。在写入时具有向浮置栅极存储电荷的作用。

控制氧化层：用于将栅电极与浮置栅极绝缘的氧化膜。

 

在闪存中，向控制栅极施加电压，在浮置栅极上收集并保持电荷。由于浮置栅极被氧化层夹在中间，漏电流很小，所以即使切断电源也能保持电荷。

 

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FLASH的工作原理

闪存具有以下三种操作：写入、擦除和读取。

写入和擦除工作原理

 

写入 "0" 相当于在浮置栅极中积累电荷。

写入 "1" 则是 “擦除”

 

写入"0"：在控制栅极和漏极施加正电压。源极和漏极之间有电子流动，通过高电压将正电荷注入到浮栅中，使得控制栅极处于打开状态，此时数据被写入到Flash存储器中。写入 "1"（即擦除）：在源极施加正电压，在控制栅极施加负电压。电子从源极被抽出，浮置栅极的电荷被擦除。

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读取工作原理

闪存的读取是在控制栅极施加正电压，检测源极和漏极之间电流的大小来判断是 "0" 还是 "1"。当浮置栅极积累有电荷（“0”）时，电流难以流动；当没有电荷（“1”）时，会有较大的电流流过。

读取 "0"：在控制栅极和漏极施加正电压。由于被积累的电子排斥，源极和漏极之间流动的电流很小。

读取 "1"：在控制栅极和漏极施加正电压。源极和漏极之间有大电流流过

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 NAND 和 NOR FLASH 对比

 

NOR的读速度比NAND稍快一些。

NAND的写入速度比NOR快很多。

NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

大多数写入操作需要先进行擦除操作。

NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。