非易失性存儲(chǔ)元件有很多種,如EPROM、EEPROM、NOR FLASH和NAND FLASH,前兩者已經(jīng)基本被淘汰了,因此我僅關(guān)注后兩者,本文對(duì)FLASH的基本存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)、寫(xiě)操作、擦除操作和讀操作的技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹,對(duì)了NOR和NAND由存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)決定的特性和應(yīng)用場(chǎng)合的差異,對(duì)后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)編程起到鋪墊作用。
1 FLASH基本存儲(chǔ)單元---浮柵場(chǎng)效應(yīng)管
NOR FLASH和NAND FLASH都是使用浮柵場(chǎng)效應(yīng)管(Floating Gate FET)作為基本存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的,浮柵場(chǎng)效應(yīng)管共有4個(gè)端電極,分別是為源極(Source)、漏極(Drain)、控制柵極(Control Gate)和浮置柵極(Floating Gate),前3個(gè)端電極的作用于普通MOSFET是一樣的,區(qū)別僅在于浮柵,F(xiàn)LASH就是利用浮柵是否存儲(chǔ)電荷來(lái)表征數(shù)字0’和‘1’的,當(dāng)向浮柵注入電荷后,D和S之間存在導(dǎo)電溝道,從D極讀到‘0’;當(dāng)浮柵中沒(méi)有電荷時(shí),D和S間沒(méi)有導(dǎo)電溝道,從D極讀到‘1’,原理示意圖見(jiàn)圖1.1[1],圖1.2是一個(gè)實(shí)際浮柵場(chǎng)效應(yīng)管的剖面圖。
注:SLC可以簡(jiǎn)單認(rèn)為是利用浮柵是否存儲(chǔ)電荷來(lái)表征數(shù)字0’和‘1’的,MLC則是要利用浮柵中電荷的多少來(lái)表征‘00’,‘01’,‘10’和‘11’的,TLC與MLC相同。
2 FLASH基本存儲(chǔ)單元的操作---寫(xiě)/擦除/讀
FLASH中,常用的向浮柵注入電荷的技術(shù)有兩種---熱電子注入(hot electron injection)和F-N隧道效應(yīng)(Fowler Nordheim tunneling);從浮柵中挪走電荷的技術(shù)通常使用F-N隧道效應(yīng)(Fowler Nordheim tunneling),基本原理見(jiàn)圖2[2]。
寫(xiě)操作就是向浮柵注入電荷的過(guò)程,NOR FLASH通過(guò)熱電子注入方式向浮柵注入電荷(這種方法的電荷注入效率較低,因此NOR FLASH的寫(xiě)速率較低),NAND FLASH則通過(guò)F-N隧道效應(yīng)向浮柵注入電荷。FLASH在寫(xiě)操作之前,必須先將原來(lái)的數(shù)據(jù)擦除(即將浮柵中的電荷挪走),也即FLASH擦除后讀出的都是‘1’。
擦除操作就是從浮柵中挪走電荷的過(guò)程,NOR FLASH和NAND FLASH都是通過(guò)F-N隧道效應(yīng)將浮柵中的電荷挪走的。
讀出操作時(shí),控制柵極上施加的電壓很小,不會(huì)改變浮柵中的電荷量,即讀出操作不會(huì)改變FLASH中原有的數(shù)據(jù),也即浮柵有電荷時(shí),D和S間存在導(dǎo)電溝道,從D極讀到‘0’;當(dāng)浮柵中沒(méi)有電荷時(shí),D和S間沒(méi)有導(dǎo)電溝道,從D極讀到‘1’。
3 NOR FLASH 和NAND FLASH的結(jié)構(gòu)和特性
3.1 NOR FLASH的結(jié)構(gòu)和特性
NOR FLASH的結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖3.1,可見(jiàn)每個(gè)Bit Line下的基本存儲(chǔ)單元是并聯(lián)的,當(dāng)某個(gè)Word Line被選中后,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該Word的讀取,也就是可以實(shí)現(xiàn)位讀?。碦andom Access),且具有較高的讀取速率,圖3.1是一個(gè)3*8bit的NOR FLASH的原理結(jié)構(gòu)圖,圖3.2是沿Bit Line切面的剖面圖,展示了NOR FLASH的硅切面示意圖,這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了NOR FLASH的很多特性。
(1)基本存儲(chǔ)單元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了金屬導(dǎo)線占用很大的面積,因此NOR FLASH的存儲(chǔ)密度較低,無(wú)法適用于需要大容量存儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)合,即適用于code-storage,不適用于data-storage,見(jiàn)圖3.3[3]。
(2)基本存儲(chǔ)單元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了NOR FLASH具有存儲(chǔ)單元可獨(dú)立尋址且讀取效率高的特性,因此適用于code-storage,且程序可以直接在NOR 中運(yùn)行(即具有RAM的特性)。
(3)NOR FLASH寫(xiě)入采用了熱電子注入方式,效率較低,因此NOR寫(xiě)入速率較低,不適用于頻繁擦除/寫(xiě)入場(chǎng)合。
來(lái)個(gè)小貼士:NOR FLASH的中的N是NOT,含義是Floating Gate中有電荷時(shí),讀出‘0’,無(wú)電荷時(shí)讀出‘1’,是一種‘非’的邏輯;OR的含義是同一個(gè)Bit Line下的各個(gè)基本存儲(chǔ)單元是并聯(lián)的,是一種‘或’的邏輯,這就是NOR 的由來(lái)。
3.2 NAND FLASH的結(jié)構(gòu)和特性
NAND FLASH的結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖3.4,可見(jiàn)每個(gè)Bit Line下的基本存儲(chǔ)單元是串聯(lián)的,NAND讀取數(shù)據(jù)的單位是Page,當(dāng)需要讀取某個(gè)Page時(shí),F(xiàn)LASH 控制器就不在這個(gè)Page的Word Line施加電壓,而對(duì)其他所有Page的Word Line施加電壓(電壓值不能改變Floating Gate中電荷數(shù)量),讓這些Page的所有基本存儲(chǔ)單元的D和S導(dǎo)通,而我們要讀取的Page的基本存儲(chǔ)單元的D和S的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)則取決于Floating Gate是否有電荷,有電荷時(shí),Bit Line讀出‘0’,無(wú)電荷Bit Line讀出‘1’,實(shí)現(xiàn)了Page數(shù)據(jù)的讀出,可見(jiàn)NAND無(wú)法實(shí)現(xiàn)位讀?。碦andom Access),程序代碼也就無(wú)法在NAND上運(yùn)行。
圖3.4是一個(gè)8*8bit的NAND FLASH的原理結(jié)構(gòu)圖,圖3.5是沿Bit Line切面的剖面圖,展示了NAND FLASH的硅切面示意圖,NAND FLASH的串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了其很多特點(diǎn).
(1)基本存儲(chǔ)單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)減少了金屬導(dǎo)線占用的面積,Die的利用率很高,因此NAND FLASH存儲(chǔ)密度高,適用于需要大容量存儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)合,即適用于data-storage,見(jiàn)圖3.3[3]。
(2)基本存儲(chǔ)單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了NAND FLASH無(wú)法進(jìn)行位讀取,也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的獨(dú)立尋址,因此程序不可以直接在NAND 中運(yùn)行,因此NAND是以Page為讀取單位和寫(xiě)入單位,以Block為擦除單位,見(jiàn)圖3.6。
(3)NAND FLASH寫(xiě)入采用F-N隧道效應(yīng)方式,效率較高,因此NAND擦除/寫(xiě)入速率很高,適用于頻繁擦除/寫(xiě)入場(chǎng)合。同時(shí)NAND是以Page為單位進(jìn)行讀取的,因此讀取速率也不算低(稍低于NOR)。
來(lái)個(gè)小貼士:NAND FLASH的中的N是NOT,含義是Floating Gate中有電荷時(shí),讀出‘0’,無(wú)電荷時(shí)讀出‘1’,是一種‘非’的邏輯;AND的含義是同一個(gè)Bit Line下的各個(gè)基本存儲(chǔ)單元是串聯(lián)的,是一種‘與’的邏輯,這就是NAND 的由來(lái)。
3.3 NOR 和NAND的比對(duì)
通過(guò)3.1和3.2節(jié)對(duì)NOR和NAND結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的解析,我們可以得出圖3.7[5]和圖3.8[5]中的結(jié)論,更詳細(xì)的比對(duì)請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]
4 FLASH基本存儲(chǔ)單元的可靠性問(wèn)題
FLASH的可靠性問(wèn)題已經(jīng)超出了本文需要講解內(nèi)容的范疇,如有興趣,請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]
參考文獻(xiàn)
[1] Introduction to Flash Memory ROBERTO BEZ, EMILIO CAMERLENGHI, ALBERTO MODELLI, AND ANGELO VISCONTI
[2] FLASH MEMORY TECHNOLOGY
[3] Two Flash Technologies Compared: NOR vs NAND Written by: Arie Tal
[4] http://www.360doc.com/content/06/1120/10/12646_266138.shtml
[5] NAND vs. NOR Flash Memory Technology Overview TOSHIBA
[6] Flash Memory Cells—An Overview
[7] Reliability issues of flash memory cells
備注:轉(zhuǎn)自CSDN
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