一文读懂FLASH的工作原理与应用
一文读懂FLASH的工作原理与应用
闪存（FLASH）是一种非易失性半导体存储器，具有小巧轻便、抗冲击性强等特点，广泛应用于USB闪存盘、SD卡、固态硬盘等设备中。本文将详细介绍闪存的工作原理与应用，帮助读者深入了解这一重要存储技术。
什么是FLASH？
闪存是“即使切断电源也能保存记录的数据（非易失性），并且可以对数据进行重写的半导体存储器”。由于其小巧轻便、抗冲击性强，且在切断电源后数据也不会丢失等特点，被广泛应用于各种设备中。例如：USB闪存盘、SD卡、固态硬盘等都是使用闪存的产品。
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”：
- NAND型：采用存储单元串联连接的方式。与位线连接的单元数量较少即可，源极线也可以由单元共享。特点：布线少，集成度高，但不能随机读取单元。
- NOR型：采用将位线连接到每个单元的方式。因为对每个单元都进行布线，所以布线数量比NAND型多。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。
FLASH的基本结构
闪存单元的基本结构如下：
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。在闪存中，浮置栅极没有电荷的状态被识别为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。
FLASH的工作原理
闪存具有以下三种操作：写入、擦除和读取。
写入和消除工作原理
闪存中写入"0"相当于在浮置栅极中积累电荷。写入"1"是抽出浮置栅极电荷的操作，相当于“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。
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。
NAND和NOR FLASH对比
总结了NAND和NOR闪存在一些重要设计特性方面的差异：容量、读取速度、写入速度、工作和待机功耗、每比特成本，以及在文件存储和代码存储应用中的易用性。
本文原文来自CSDN
Reference:
- TOSHIBA: NAND vs. NOR Flash Memory Technology Overview.
- Samsung: NAND FLASH MEMORY.
- Semiconductor Devices Physics and Technology.