Flash存储器的基本原理是什么？有什么作用？

闪存在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

好的，我们来详细解释一下Flash存储器的基本原理和作用。

Flash存储器的基本原理

Flash存储器的核心是基于一种特殊的晶体管结构——浮栅晶体管。这个晶体管的特殊之处在于它的栅极由两层组成：

控制栅： 外层，用于施加控制电压。
浮栅： 内层，位于二氧化硅绝缘层之中，像一个“孤岛”一样被绝缘层完全包围。

这个被绝缘层包围的浮栅是Flash能够存储数据的关键。它具有储存电荷（电子）的能力。电荷的“有”或“无”就代表了一个存储单元的状态是“0”还是“1”（具体对应关系取决于设计）。

关键的工作原理在于利用量子隧穿效应来改变浮栅上的电荷量：

写入数据（编程）：
- 向控制栅施加一个较高的正电压。
- 这使得源极和漏极之间形成导电沟道。
- 在漏极也施加一个较高的电压（通常是针对单存储单元操作）。
- 在强电场的作用下，沟道中的高能电子能够克服绝缘层的能量壁垒，通过隧穿效应“注入”到浮栅中并被困在里面。
- 浮栅中有大量负电荷。这使得晶体管的阈值电压（让晶体管导通的电压）升高。
- 当正常读取电压加到控制栅时，由于浮栅负电荷的排斥作用，沟道无法形成，晶体管不导通（读取为“0”状态——注意这是常见的一种设计方式）。
擦除数据：
- 这是Flash区别于普通ROM的重要特点。
- 对于NOR Flash：通常在源极施加一个较高的正电压，而控制栅接地或负压。这种电场方向与写入时相反，它吸引浮栅中的电子通过隧穿效应穿越绝缘层回到源极。
- 对于NAND Flash：在P型衬底施加较高的正电压，而控制栅接地。这样产生电场，驱使浮栅中的电子穿越绝缘层进入衬底。
- 电子离开浮栅后，浮栅电荷减少或变为正电荷（或几乎没有电子）。
- 此时浮栅缺少电子或带正电荷。这使得晶体管的阈值电压降低。
- 当正常读取电压加到控制栅时，晶体管很容易导通（读取为“1”状态）。
- 重要：擦除操作通常是以较大的块（Block）或扇区（Sector）为单位进行的，而不是单个字节。 写入可以按字节或页（Page）进行。
读取数据：
- 向控制栅施加一个中等的、介于擦除后阈值电压和写入后阈值电压之间的电压。
- 如果浮栅中没有电荷（擦除状态），晶体管会导通（有电流流过），读取到“1”。
- 如果浮栅中有电荷（写入状态），晶体管不会导通（电流很小或没有），读取到“0”。

Flash存储器的作用

Flash存储器的作用非常广泛，它的核心价值在于：

非易失性存储： 这是Flash最基本也是最重要的作用。它不需要电源就能永久保存数据。即使设备断电，存储在Flash芯片中的数据也不会丢失。这使得它非常适合用于长期存储固件、程序、文档、照片、视频、音乐等。
固态存储的核心： Flash是构成所有固态存储设备的基础：
- USB闪存盘（U盘）： 便携式移动存储。
- 固态硬盘： 替代传统机械硬盘，提供极快的读写速度、低延迟、抗震、安静、省电等特点，是现代计算机性能提升的关键之一。
- 存储卡： 广泛应用在数码相机、智能手机、平板电脑、游戏机等设备中扩展存储空间（SD卡、MicroSD卡、CFexpress卡、NM卡等）。
- eMMC/UFS： 直接焊接在设备主板上的嵌入式存储芯片，用于手机、平板、低端笔记本电脑等的内置存储。
系统固件存储： 电脑主板上的BIOS/UEFI芯片、路由器、打印机、各种电子设备的固件通常存储在高可靠性（通常是NOR型）的Flash芯片中，保证设备启动和基础运行。
程序存储与代码执行： 在嵌入式系统（如微控制器）中，程序代码通常存储在片上或外接的Flash存储器中（例如单片机的Flash ROM）。一些高性能的嵌入式系统甚至可以直接从Flash执行代码（XIP），提高启动速度。
缓存加速： 一些硬盘或混合存储方案会利用一小块Flash作为高速缓存（SSD Cache），加速对磁盘数据的访问。