非易失性存儲元件有很多種，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FLASH的基本存儲單元結(jié)構(gòu)、寫操作、擦除操作和讀操作的技術(shù)進(jìn)行了簡單介紹，對了NOR和NAND由存儲結(jié)構(gòu)決定的特性和應(yīng)用場合的差異，對后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動編程起到鋪墊作用。

1 FLASH基本存儲單元---浮柵場效應(yīng)管

  NOR FLASH和NAND FLASH都是使用浮柵場效應(yīng)管(Floating Gate FET)作為基本存儲單元來存儲數(shù)據(jù)的，浮柵場效應(yīng)管共有4個端電極，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電荷來表征數(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)浮柵中沒有電荷時，D和S間沒有導(dǎo)電溝道，從D極讀到‘1’，原理示意圖見圖1.1[1],圖1.2是一個實(shí)際浮柵場效應(yīng)管的剖面圖。

注：SLC可以簡單認(rèn)為是利用浮柵是否存儲電荷來表征數(shù)字0’和‘1’的，MLC則是要利用浮柵中電荷的多少來表征‘00’，‘01’，‘10’和‘11’的，TLC與MLC相同。

2 FLASH基本存儲單元的操作---寫/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)，基本原理見圖2[2]。

  寫操作就是向浮柵注入電荷的過程，NOR FLASH通過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的寫速率較低），NAND FLASH則通過F-N隧道效應(yīng)向浮柵注入電荷。FLASH在寫操作之前，必須先將原來的數(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程，NOR FLASH和NAND FLASH都是通過F-N隧道效應(yīng)將浮柵中的電荷挪走的。

  讀出操作時，控制柵極上施加的電壓很小，不會改變浮柵中的電荷量，即讀出操作不會改變FLASH中原有的數(shù)據(jù)，也即浮柵有電荷時，D和S間存在導(dǎo)電溝道，從D極讀到‘0’；當(dāng)浮柵中沒有電荷時，D和S間沒有導(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)原理圖見圖3.1，可見每個Bit Line下的基本存儲單元是并聯(lián)的，當(dāng)某個Word Line被選中后，就可以實(shí)現(xiàn)對該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的存儲密度較低，無法適用于需要大容量存儲的應(yīng)用場合，即適用于code-storage，不適用于data-storage,見圖3.3[3]。

（2）基本存儲單元的并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了NOR FLASH具有存儲單元可獨(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寫入采用了熱電子注入方式，效率較低，因此NOR寫入速率較低，不適用于頻繁擦除/寫入場合。

  來個小貼士：NOR  FLASH的中的N是NOT，含義是Floating Gate中有電荷時，讀出‘0’，無電荷時讀出‘1’，是一種‘非’的邏輯；OR的含義是同一個Bit Line下的各個基本存儲單元是并聯(lián)的，是一種‘或’的邏輯，這就是NOR 的由來。 

3.2 NAND FLASH的結(jié)構(gòu)和特性

  NAND FLASH的結(jié)構(gòu)原理圖見圖3.4，可見每個Bit Line下的基本存儲單元是串聯(lián)的，NAND讀取數(shù)據(jù)的單位是Page，當(dāng)需要讀取某個Page時，F(xiàn)LASH 控制器就不在這個Page的Word Line施加電壓，而對其他所有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的所有基本存儲單元的D和S導(dǎo)通，而我們要讀取的Page的基本存儲單元的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，Bit Line讀出‘0’，無電荷Bit Line讀出‘1’，實(shí)現(xiàn)了Page數(shù)據(jù)的讀出，可見NAND無法實(shí)現(xiàn)位讀?。碦andom Ａccess），程序代碼也就無法在NAND上運(yùn)行。

  圖3.4是一個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存儲密度高，適用于需要大容量存儲的應(yīng)用場合，即適用于data-storage，見圖3.3[3]。

（2）基本存儲單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了NAND FLASH無法進(jìn)行位讀取，也就無法實(shí)現(xiàn)存儲單元的獨(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為讀取單位和寫入單位，以Block為擦除單位，見圖3.6。

（3）NAND FLASH寫入采用F-N隧道效應(yīng)方式，效率較高，因此NAND擦除/寫入速率很高，適用于頻繁擦除/寫入場合。同時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）。

來個小貼士：NAND FLASH的中的N是NOT，含義是Floating Gate中有電荷時，讀出‘0’，無電荷時讀出‘1’，是一種‘非’的邏輯；AND的含義是同一個Bit Line下的各個基本存儲單元是串聯(lián)的，是一種‘與’的邏輯，這就是NAND 的由來。

3.3 NOR 和NAND的比對

       通過3.1和3.2節(jié)對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)的比對請見參考文獻(xiàn)[3]

4 FLASH基本存儲單元的可靠性問題

 FLASH的可靠性問題已經(jīng)超出了本文需要講解內(nèi)容的范疇，如有興趣，請見參考文獻(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