NAND闪存与NOR闪存的工作原理详解

经典物理学认为


物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。




量子力学则认为


即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作“量子隧道（quantum tunneling）”。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。




〔发现者〕


1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940～）在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后，江崎利用这一效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管）。1960年，美裔挪威籍科学家加埃沃（Ivan Giaever，1929～）通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释，单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。1962年，年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940～）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS（Superconductor-Insulator- Superconductor）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验 观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。




宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。




闪存 


闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。

 


与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND型闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。而NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。




场效应管工作原理


场效应晶体管（Field EffectTransistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。






一、存储数据的原理两种闪存都是用三端器件作为存储单元，分别为源极、漏极和栅极，与场效应管的工作原理相同，主要是利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断，栅极的电流消耗极小，不同的是场效应管为单栅极结构，而FLASH为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。浮置栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成的，中间的氮化物就是可以存储电荷的电荷势阱。上下两层氧化物的厚度大于50埃，以避免发生击穿。






二、浮栅的重放电 向数据单元内写入数据的过程就是向电荷势阱注入电荷的过程，写入数据有两种技术，热电子注入(hot electron injection)和F-N隧道效应(FowlerNordheim tunneling)，前一种是通过源极给浮栅充电，后一种是通过硅基层给浮栅充电。NOR型FLASH通过热电子注入方式给浮栅充电，而NAND则通过F-N隧道效应给浮栅充电。 在写入新数据之前，必须先将原来的数据擦除，这点跟硬盘不同，也就是将浮栅的电荷放掉，两种FLASH都是通过F-N隧道效应放电。






三、0和1 这方面两种FLASH一样，向浮栅中注入电荷表示写入了'0'，没有注入电荷表示'1'，所以对FLASH清除数据是写1的，这与硬盘正好相反； 对于浮栅中有电荷的单元来说，由于浮栅的感应作用，在源极和漏极之间将形成带正电的空间电荷区，这时无论控制极上有没有施加偏置电压，晶体管都将处于导通状态。而对于浮栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电压，在硅基层上感应出电荷，源极和漏极才能导通，也就是说在没有给控制极施加偏置电压时，晶体管是截止的。 如果晶体管的源极接地而漏极接位线，在无偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据，如果位线上的电平为低，说明晶体管处于导通状态，读取的数据为0，如果位线上为高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为1。由于控制栅极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压，不足以改变浮置栅极中原有的电荷量，所以读取操作不会改变FLASH中原有的数据。








四、连接和编址方式 两种FLASH具有相同的存储单元，工作原理也一样，为了缩短存取时间并不是对每个单元进行单独的存取操作，而是对一定数量的存取单元进行集体操作，NAND型FLASH各存储单元之间是串联的，而NOR型FLASH各单元之间是并联的；为了对全部的存储单元有效管理，必须对存储单元进行统一编址。 NAND的全部存储单元分为若干个块，每个块又分为若干个页，每个页是512byte，就是512个8位数，就是说每个页有512条位线，每条位线下有8个存储单元；那么每页存储的数据正好跟硬盘的一个扇区存储的数据相同，这是设计时为了方便与磁盘进行数据交换而特意安排的，那么块就类似硬盘的簇；容量不同，块的数量不同，组成块的页的数量也不同。在读取数据时，当字线和位线锁定某个晶体管时，该晶体管的控制极不加偏置电压，其它的7个都加上偏置电压而导通，如果这个晶体管的浮栅中有电荷就会导通使位线为低电平，读出的数就是0，反之就是1。 NOR的每个存储单元以并联的方式连接到位线，方便对每一位进行随机存取；具有专用的地址线，可以实现一次性的直接寻址；缩短了FLASH对处理器指令的执行时间。




五、性能


1、速度 在写数据和擦除数据时，NAND由于支持整块擦写操作，所以速度比NOR要快得多，两者相差近千倍；读取时，由于NAND要先向芯片发送地址信息进行寻址才能开始读写数据，而它的地址信息包括块号、块内页号和页内字节号等部分，要顺序选择才能定位到要操作的字节；这样每进行一次数据访问需要经过三次寻址，至少要三个时钟周期；而NOR型FLASH的操作则是以字或字节为单位进行的，直接读取，所以读取数据时，NOR有明显优势。


2、容量和成本 NOR型FLASH的每个存储单元与位线相连，增加了芯片内位线的数量，不利于存储密度的提高。所以在面积和工艺相同的情况下，NAND型FLASH的容量比NOR要大得多，生产成本更低，也更容易生产大容量的芯片。


3、易用性 NAND型FLASH的I/O端口采用复用的数据线和地址线，必须先通过寄存器串行地进行数据存取，各个产品或厂商对信号的定义不同，增加了应用的难度；NOR FLASH有专用的地址引脚来寻址，较容易与其它芯片进行连接，另外还支持本地执行，应用程序可以直接在FLASH内部运行，可以简化产品设计。


4、可靠性 NANDFLASH相邻单元之间较易发生位翻转而导致坏块出现，而且是随机分布的，如果想在生产过程中消除坏块会导致成品率太低、性价比很差，所以在出厂前要在高温、高压条件下检测生产过程中产生的坏块，写入坏块标记，防止使用时向坏块写入数据；但在使用过程中还难免产生新的坏块，所以在使用的时候要配合EDC/ECC(错误探测/错误更正)和BBM(坏块管理)等软件措施来保障数据的可靠性。坏块管理软件能够发现并更换一个读写失败的区块，将数据复制到一个有效的区块。


5、耐久性 FLASH由于写入和擦除数据时会导致介质的氧化降解，导致芯片老化，在这个方面NOR尤甚，所以并不适合频繁地擦写，NAND的擦写次数是100万次，而NOR只有10万次。NAND闪存技术详解NAND闪存阵列分为一系列128kB的区块(block)，这些区块是NAND器件中最小的可擦除实体。擦除一个区块就是把所有的位(bit)设置为"1"(而所有字节(byte)设置为FFh)。有必要通过编程，将已擦除的位从"1"变为"0"。最小的编程实体是字节(byte)。一些NOR闪存能同时执行读写操作(见下图1)。虽然NAND不能同时执行读写操作，它可以采用称为"映射(shadowing)"的方法，在系统级实现这一点。这种方法在个人电脑上已经沿用多年，即将BIOS从速率较低的ROM加载到速率较高的RAM上。




NAND的效率较高，是因为NAND串中没有金属触点。NAND闪存单元的大小比NOR要小(4F2：10F2)的原因，是NOR的每一个单元都需要独立的金属触点。NAND与硬盘驱动器类似，基于扇区(页)，适合于存储连续的数据，如图片、音频或个人电脑数据。虽然通过把数据映射到RAM上，能在系统级实现随机存取，但是，这样做需要额外的RAM存储空间。此外，跟硬盘一样，NAND器件存在坏的扇区，需要纠错码(ECC)来维持数据的完整性。




NAND与NOR闪存比较NAND闪存的优点在于写(编程)和擦除操作的速率快，而NOR的优点是具有随机存取和对字节执行写(编程)操作的能力(见下图图2)。NOR的随机存取能力支持直接代码执行(XiP)，而这是嵌入式应用经常需要的一个功能。NAND支持速率超过5Mbps的持续写操作，其区块擦除时间短至2ms，而NOR是750ms。



不同闪存单元的对比



flash(nandnor)原理


flash memory 是从ROM、PROM、EPROM、EEPROM这样一步步发展过来的。EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY的核心部件都是一个 浮置栅场效应管，通过在浮置栅上放置电子和没有电子两种状态来区分0、1。由于浮栅中电子的变化，存贮单元的阈值电压也会随之而改变，向浮栅中注入电子时，域值电压升高，加正常电压不能使该管导通定义为“1”；将浮栅中的电子拉出，加正常电压导通，定义为0。也有说通过检测该管有电流通过为1，无电流通过为0，这样就是有电子为0，无电子为1。不管采用哪种，反正有两种状态区分就可以保存数据了。









电子注入及擦除：


1、沟道热电子注人(CHE)CHE是Flash中常用的一种“写”操作方式。其原理是，当在漏和栅极上同时加高电压，沟道中的电子在 Vd建立的横向电场加速下获得很高的能量。这些热电子在编结附近碰撞电离，产生高能电子，在栅极电场的吸引下，跃过3．2 eV 的氧化层电子势垒，形成热电子注入。






2、F—N隧穿效应（F—NTunneling)


当在栅极和衬底之间加一个电压时，在氧化层中会建立一个电场。一般情况下．由于SO2 和Si界面的电于势垒很高(3．2 eV)．电子很难越过势垒注入到多晶硅栅中。Fowler等人提出，当氧化层中电场达到10Mv／cm，且氧化层厚度较小(0.01微米 以下)时，电子将发生直接隧穿效应，穿过氧化层中势垒注入到浮栅．近年来出现了在多晶硅上生长Textured一0xide，可以降低隧穿电压，即增强F—N 注入。以上两种注入方式的特点有很大不同。沟道热电子注入模式工作电压较低，外围高压工艺的要求也较低，但它的编程电流很大，有较大的功耗，不利于应用在便携式电脑等有低功耗要求的产品上；隧穿入模式的功耗小，但要求有更高的编程电压，外围工艺和升压电路也就较为复杂。由于空穴的有效质量和氧化层界面势垒均比电子要大，CHE方式不能用于FG中电于的擦除。目前，一般采用F—N隧道注入来实现Flash的擦除。




两种类型的FLASHMEMORY:


1、NOR FLASH




NOR FALSH阵列 


NOR技术Flash Memory结构，每两个单元共用一个位线接触孔和一条源线线，采用CHE的写入和源极F—N擦除，具有高编程速度和高读取速度的优点。但其编程功耗过 大，在阵列布局上，接触孔占用了相当的空间，集成度不高。具有以下特点：(1)程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行．而无需先将代码下载至RAM 中再执行；(2)可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除．必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。适合存储代码，比如用来做BOIS。由于NOR技术FlashMemory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长．在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。




2、NAND FLASH




NAND FLASH阵列


NAND结构消除了传统EEPROM 中的选择管，并通过多位的直接串联，将每个单元的接触孔减小到1／2 n(n为每个模块中的位数，一般为8位或1 6位)，因此，大大缩小了单元尺寸。NAND采用编F—N写，沟道擦除，其最大缺点是多管串联，读取速较其他阵列结构慢。另外，由于不能采用负栅压擦除，编程时需加20V 左右的高电压，对可靠性不利。NAND技术Flash Memory具有以下特点：(1)以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B(字节)；以块为单位进行擦除操作．1块为4K、8K或16KB。 具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。(2)数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。(3)芯片尺寸小．引脚少，是位成本(bit COSt)最低的固态存。不支持代码本地运行，运行前需要拷贝到RAM。适合数据、文件类型存储。