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NOR FLASH和NAND FLASH基本結構和特點

時間:2020-11-21   訪問量:1273

非易失性存儲元件有很多種,如EPROM、EEPROM、NOR FLASH和NAND FLASH,前兩者已經基本被淘汰了,因此我僅關注後兩者,本文對FLASH的基本存儲單元結構、寫操作、擦除操作和讀操作的技術進行了簡單介紹,對了NOR和NAND由存儲結構決定的特性和應用場合的差異,對後續的硬件設計和驅動編程起到鋪墊作用。


1 FLASH基本存儲單元---浮柵場效應管


NOR FLASH和NAND FLASH都是使用浮柵場效應管(Floating Gate FET)作為基本存儲單元來存儲數據的,浮柵場效應管共有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個端電極的作用於普通MOSFET是一樣的,區別僅在於浮柵,FLASH就是利用浮柵是否存儲電荷來表徵數字0'和'1'的,當向浮柵注入電荷後,D和S之間存在導電溝道,從D極讀到'0';當浮柵中沒有電荷時,D和S間沒有導電溝道,從D極讀到'1',原理示意圖見圖1.1[1],圖1.2是一個實際浮柵場效應管的剖面圖。


注:SLC可以簡單認為是利用浮柵是否存儲電荷來表徵數字0'和'1'的,MLC則是要利用浮柵中電荷的多少來表徵'00','01','10'和' 11'的,TLC與MLC相同。

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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有兩種---熱電子注入(hot electron injection)和FN隧道效應(Fowler Nordheim tunneling);從浮柵中挪走電荷的技術通常使用FN隧道效應(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FN隧道效應向浮柵注入電荷。 FLASH在寫操作之前,必須先將原來的數據擦除(即將浮柵中的電荷挪走),也即FLASH擦除後讀出的都是‘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中原有的數據,也即浮柵有電荷時,D和S間存在導電溝道,從D極讀到'0';當浮柵中沒有電荷時,D和S間沒有導電溝道,從D極讀到'1'。

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3 NOR FLASH 和NAND FLASH的結構和特性


3.1 NOR FLASH的結構和特性


NOR FLASH的結構原理圖見圖3.1,可見每個Bit Line下的基本存儲單元是並聯的,當某個Word Line被選中後,就可以實現對該Word的讀取,也就是可以實現位讀取(即Random Access),且具有較高的讀取速率,圖3.1是一個3*8bit的NOR FLASH的原理結構圖,圖3.2是沿Bit Line切面的剖面圖,展示了NOR FLASH的矽切面示意圖,這種並聯結構決定了NOR FLASH的很多特性。

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(1)基本存儲單元的並聯結構決定了金屬導線佔用很大的面積,因此NOR FLASH的存儲密度較低,無法適用於需要大容量存儲的應用場合,即適用於code-storage,不適用於data -storage,見圖3.3[3]。


(2)基本存儲單元的並聯結構決定了NOR FLASH具有存儲單元可獨立尋址且讀取效率高的特性,因此適用於code-storage,且程序可以直接在NOR 中運行(即具有RAM的特性) 。


(3)NOR FLASH寫入採用了熱電子注入方式,效率較低,因此NOR寫入速率較低,不適用於頻繁擦除/寫入場合。

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最後來個小貼士: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並聯的,是一種'或'的邏輯,這就是NOR 的由來。


3.2 NAND FLASH的結構和特性


NAND FLASH的結構原理圖見圖3.4,可見每個Bit Line下的基本存儲單元是串聯的,NAND讀取數據的單位是Page,當需要讀取某個Page時,FLASH 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中電荷數量),讓這些Page的所有基本存儲單元的D和S導通,而我們要讀取的Page的基本存儲單元的D和S的導通/關斷狀態則取決於Floating Gate是否有電荷,有電荷時,Bit Line讀出'0',無電荷Bit Line讀出'1',實現了Page數據的讀出,可見NAND無法實現位讀取(即Random Access),程序代碼也就無法在NAND上運行。


  圖3.4是一個8*8bit的NAND FLASH的原理結構圖,圖3.5是沿Bit Line切面的剖面圖,展示了NAND FLASH的矽切面示意圖,NAND FLASH的串聯結構決定了其很多特點.

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(1)基本存儲單元的串聯結構減少了金屬導線佔用的面積,Die的利用率很高,因此NAND FLASH存儲密度高,適用於需要大容量存儲的應用場合,即適用於data-storage,見圖3.3[3]。


(2)基本存儲單元的串聯結構決定了NAND FLASH無法進行位讀取,也就無法實現存儲單元的獨立尋址,因此程序不可以直接在NAND 中運行,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寫入採用F-N隧道效應方式,效率較高,因此NAND擦除/寫入速率很高,適用於頻繁擦除/寫入場合。同時NAND是以Page為單位進行讀取的,因此讀取速率也不算低(稍低於NOR)。


最後來個小貼士: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的,是一種'與'的邏輯,這就是NAND 的由來。

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3.3 NOR 和NAND的比對


       通過3.1和3.2節對NOR和NAND結構和特點的解析,我們可以得出圖3.7[5]和圖3.8[5]中的結論,更詳細的比對請見參考文獻[3]

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4 FLASH基本存儲單元的可靠性問題


 FLASH的可靠性問題已經超出了本文需要講解內容的範疇,如有興趣,請見參考文獻[7]


參考文獻


[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




備註:轉自CSDN


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