FLASH的工作原理與應(yīng)用

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什么是FLASH?

Flash閃存是一種非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，它結(jié)合了ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器）的優(yōu)點(diǎn)，具有電子可擦除和可編程的性能，即使在斷電的情況下也能保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。

Flash存儲(chǔ)器的讀取速度非常快，適合用于頻繁讀取數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景。它的工作原理是通過(guò)控制電子在半導(dǎo)體材料中的移動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)和擦除數(shù)據(jù)。Flash內(nèi)存的主要類型包括SPI NOR Flash和Parallel NOR Flash，它們都支持快速隨機(jī)讀取，并且可以在系統(tǒng)中直接執(zhí)行代碼

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閃存的種類：NAND 型和 NOR 型

閃存由 “存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元以及連接單元之間的布線, 字線(Word Line)、位線(Bit Line)和源極線(Source Line)” 組成。每條布線的作用如下：字線：用于發(fā)送選擇存儲(chǔ)單元的信號(hào)的線。位線：用于發(fā)送向單元讀寫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線。源極線：用于對(duì)位線的電壓進(jìn)行放電的線。閃存根據(jù)存儲(chǔ)單元與布線的連接方式分為 “NAND 型” 和 “NOR 型”。

Nand1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量?jī)?nèi)存的實(shí)現(xiàn)提供了廉價(jià)有效的解決方案。Nand-flash存儲(chǔ)器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因而在業(yè)界得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如嵌入式產(chǎn)品中包括數(shù)碼相機(jī)、MP3隨身聽(tīng)記憶卡、體積小巧的U盤等

特點(diǎn)：布線少，集成度高，但不能隨機(jī)讀取單元。

NOR是intel公司1988年開(kāi)發(fā)出了NOR flash技術(shù)。NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP,eXecute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在flash 閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入

和擦除速度大大影響了它的性能Q。

特點(diǎn)：布線多，集成度低，但可以隨機(jī)讀取單元。NAND 型由于容量大且價(jià)格低廉，被用作數(shù)碼相機(jī)的存儲(chǔ)卡、電腦的 USB 閃存盤和固態(tài)硬盤等。另一方面，NOR 型被用于路由器、打印機(jī)、車載設(shè)備等不能使用硬盤的環(huán)境中，用于保存固件等。

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FLASH的基本結(jié)構(gòu)

Flash存儲(chǔ)器的基本存儲(chǔ)單元是浮柵場(chǎng)效應(yīng)管（Floating Gate FET），它有四個(gè)端電極：源極（Source）、漏極（Drain）、控制柵極（Control Gate）和浮置柵極（Floating Gate）。浮柵場(chǎng)效應(yīng)管通過(guò)浮柵中是否存在電荷來(lái)表征數(shù)字0和1

閃存單元在 P 型半導(dǎo)體基板上設(shè)有 N+ 型的源極和漏極。在 P 型襯底上依次堆疊著隧道氧化膜、浮置柵極FG、控制氧化層(絕緣膜)和控制柵極CG。

浮置柵極FG(floating gate)：用于存儲(chǔ)電荷的柵極。有無(wú)電荷分別對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器的 0 和 1

控制柵極CG(control gate)：通過(guò)施加電壓來(lái)收集浮置電荷的電極。具有與 MOSFET 的柵極相同的功能。

隧道氧化層：幾納米厚的薄氧化膜(絕緣膜)，由于很薄，在施加高電壓時(shí)會(huì)導(dǎo)通電流(隧道電流)。在寫入時(shí)具有向浮置柵極存儲(chǔ)電荷的作用。

控制氧化層：用于將柵電極與浮置柵極絕緣的氧化膜。

在閃存中，向控制柵極施加電壓，在浮置柵極上收集并保持電荷。由于浮置柵極被氧化層夾在中間，漏電流很小，所以即使切斷電源也能保持電荷。

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FLASH的工作原理

閃存具有以下三種操作：寫入、擦除和讀取。

寫入和擦除工作原理

寫入 "0"相當(dāng)于在浮置柵極中積累電荷。

寫入 "1" 則是 “擦除”

寫入"0"：在控制柵極和漏極施加正電壓。源極和漏極之間有電子流動(dòng)，通過(guò)高電壓將正電荷注入到浮柵中，使得控制柵極處于打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)被寫入到Flash存儲(chǔ)器中。寫入 "1"（即擦除）：在源極施加正電壓，在控制柵極施加負(fù)電壓。電子從源極被抽出，浮置柵極的電荷被擦除。

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讀取工作原理

閃存的讀取是在控制柵極施加正電壓，檢測(cè)源極和漏極之間電流的大小來(lái)判斷是 "0" 還是 "1"。當(dāng)浮置柵極積累有電荷（“0”）時(shí)，電流難以流動(dòng)；當(dāng)沒(méi)有電荷（“1”）時(shí)，會(huì)有較大的電流流過(guò)。

讀取 "0"：在控制柵極和漏極施加正電壓。由于被積累的電子排斥，源極和漏極之間流動(dòng)的電流很小。

讀取 "1"：在控制柵極和漏極施加正電壓。源極和漏極之間有大電流流過(guò)

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NAND和 NORFLASH 對(duì)比

NOR的讀速度比NAND稍快一些。

NAND的寫入速度比NOR快很多。

NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快。

大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。