FLASH的工作原理與應用

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什么是FLASH?

Flash閃存是一種非易失性半導體存儲器，它結合了ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機訪問存儲器）的優點，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數據不丟失。

Flash存儲器的讀取速度非常快，適合用于頻繁讀取數據的應用場景。它的工作原理是通過控制電子在半導體材料中的移動來存儲和擦除數據。Flash內存的主要類型包括SPI NOR Flash和Parallel NOR Flash，它們都支持快速隨機讀取，并且可以在系統中直接執行代碼

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閃存的種類：NAND 型和 NOR 型

閃存由 “存儲數據的存儲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：用于發送選擇存儲單元的信號的線。位線：用于發送向單元讀寫數據的數據線。源極線：用于對位線的電壓進行放電的線。閃存根據存儲單元與布線的連接方式分為 “NAND 型” 和 “NOR 型”。

Nand1989年，東芝公司發表了NAND flash結構。其內部采用非線性宏單元模式，為固態大容量內存的實現提供了廉價有效的解決方案。Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優點，適用于大量數據的存儲，因而在業界得到了越來越廣泛的應用，如嵌入式產品中包括數碼相機、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等

特點：布線少，集成度高，但不能隨機讀取單元。

NOR是intel公司1988年開發出了NOR flash技術。NOR的特點是芯片內執行(XIP,eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在flash 閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時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：布線多，集成度低，但可以隨機讀取單元。NAND 型由于容量大且價格低廉，被用作數碼相機的存儲卡、電腦的 USB 閃存盤和固態硬盤等。另一方面，NOR 型被用于路由器、打印機、車載設備等不能使用硬盤的環境中，用于保存固件等。

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FLASH的基本結構

Flash存儲器的基本存儲單元是浮柵場效應管（Floating Gate FET），它有四個端電極：源極（Source）、漏極（Drain）、控制柵極（Control Gate）和浮置柵極（Floating Gate）。浮柵場效應管通過浮柵中是否存在電荷來表征數字0和1

閃存單元在 P 型半導體基板上設有 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)：用于存儲電荷的柵極。有無電荷分別對應存儲器的 0 和 1

控制柵極CG(control gate)：通過施加電壓來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，在施加高電壓時會導通電流(隧道電流)。在寫入時具有向浮置柵極存儲電荷的作用。

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，通過高電壓將正電荷注入到浮柵中，使得控制柵極處于打開狀態，此時數據被寫入到Flash存儲器中。寫入 "1"（即擦除）：在源極施加正電壓，在控制柵極施加負電壓。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，檢測源極和漏極之間電流的大小來判斷是 "0" 還是 "1"。當浮置柵極積累有電荷（“0”）時，電流難以流動；當沒有電荷（“1”）時，會有較大的電流流過。

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

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NAND和 NORFLASH 對比

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擦除速度遠比NOR的5s快。

大多數寫入操作需要先進行擦除操作。

NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。