閃速存儲單元

Masupka等人利用只有1隻電晶體的單元和新的擦除編程電路技術及高速靈敏度放大器，於1987年報導了第一塊256kb閃速（即閃速存儲器）。之所以稱為閃速，是因為它能同時、快速地擦除所有單元。閃速存儲單元是取代傳統的EPROM和的主要非揮發性（永久性）的存儲單元。

基本介紹

• 中文名：閃速存儲單元
• 外文名：Flash memory cell
• 學科：計算機科學與技術
• 發現者：Masupka
• 優勢：速度快
• 發現時間 ：1987年

基本概念

Masupka等人利用只有1隻電晶體的單元和新的擦除編程電路技術及高速靈敏度放大器，於1987年報導了第一塊256kb閃速(即閃速存儲器)。之所以稱為閃速，是因為它能同時、快速地擦除所有單元。閃速存儲單元是取代傳統的EPROM和的主要非揮發性（永久性）的存儲單元。

工作原理

單元的工作原理

主要有兩種技術來改變存儲在閃速存儲器單元的數據：溝道熱電子注入(CHE)和Fowler-Nordheim隧道效應(FN隧道效應)。所有的閃速存儲器都採用FN隧道效應來進行擦除。至於編程，有的採用CHE方法，有的採用FN隧道效應方法。下表給出了幾家主要閃速存儲器廠家的存儲單元性能。

表1

由於在CHE注入過程中，浮柵下面的氧化層面積較小，所以對浮柵下面的氧化層損害較小，因此其可靠性較高，但缺點是編程效率低，FN法用低電流進行編程，因而能進行高效而低功耗的工作，所以在晶片上電荷泵的面積就可以做得很小。

為了減少閃速存儲器的單元面積，可以採用負柵壓偏置。由於在字線(接存儲單元的柵)上接了負壓，接到源上的電壓就可以減小，從而減少了雙重擴散的必要性所以源結可以減小到0.2μm。負柵偏置的閃速存儲器還有一個優點，就是通過字線施加負壓可以實現字組(sector)擦除(通常一個字組為2k個以上的位元組)。下表給出了負柵偏置的閃速存儲單元在各種情況下各端的電壓值。

表2

電路工作原理

下面以一種1Mb閃速存儲器為例，來說明閃速存儲器的擦除和編程。當擦除時，陣列中所有單元的源結都接到12V電壓，所有位元組都接地，內部擦除確認電路和適當的擦除算法相結合，使擦除閡值小於，其擦除算法如圖1中(a)所示。如果一些位元組需要擦除多於1次才能達到希望的擦除閡值，那么擦除和驗證程式將進行疊代編程算法，如圖1中(b)所示。當選擇柵和漏結接高電位，而源端接地時，熱電子由漏結注入到浮柵，內部編程確認電路保證單元的編程閡值大於或等於。由於編程發生在漏結，而擦除發生在源結，所以應分別對它們進行最佳化。

圖1

性能特點

閃速存儲器是一類非易失性存儲器NVM(Non-Volatile Memory)即使在供電電源關閉後仍能保持片內信息；而諸如DRAM,SRAM這類易失性存儲器，當供電電源關閉時片內信息隨即丟失。

Flash Memory集其它類非易失性存儲器的特點：與EPROM相比較，閃速存儲器具有明顯的優勢—在系統電可擦除和可重複編程，而不需要特殊的高電壓(某些第一代閃速存儲器也要求高電壓來完成擦除和/或編程操作)；與相比較，閃速存儲器具有成本低、密度大的特點。其獨特的性能使其廣泛地運用於各個領域，包括嵌入式系統，如PC及外設、電信交換機、蜂窩電話、網路互聯設備、儀器儀表和汽車器件，同時還包括新興的語音、圖像、數據存儲類產品，如數字相機、數字錄音機和個人數字助理(PDA)。

誤差校正

閃速存儲器中的誤差校正(ECC)技術

在閃速存儲器中，用浮柵上電荷的多少來代表邏輯“0”和邏輯“1”。在擦除和編程過程中，由於隧道氧化層中存在高能電子的注入和發射，會帶來缺陷和陷阱的產生存儲在浮柵上的電子會通過隧道氧化層的缺陷和陷阱泄露。在讀出時，由於加到控制柵，浮柵慢慢地收集電子。電子的泄漏和收集引起了存儲電晶體閡值電壓的減少或增大，並且可能引起隨機位失效。

閃速存儲器系統必須保證即使在經過次擦寫後存儲的數據仍然能保持10年。通常用誤差校正技術來提高閃速存儲器的可靠性。在ATA卡中，採用閃速控制器，包括ATA接口來處理閃速晶片的讀寫，如圖2所示：

圖2

近年來，不帶控制器的單閃速晶片的套用市場，如私人數字助理(personal digital assistams, PDA's)、IC卡和數字攝象機等正在擴大，所以需要直接和CPU相連的閃速存儲器儘管帶ECC的閃速存儲器晶片與不帶ECC的閃速存儲器晶片相比，晶片面積增大10%，但其價格卻低。

在閃速存儲器中，擦除操作以字組為單位進行，所以除了位出錯率外，還引入字組出錯率，即在一個字組中出現錯誤的機率。對於8kb，字組出錯率要求小於。

性能比較

80年代中期以來，EPROM的容量每兩年翻一番。通用與EPROM相比，具有價格低、擦除簡單等優點，但由於每個存儲單元有兩隻電晶體，開發大容量是非常困難的。用2μm工藝製作的兩管的最大容量為64kb。Masupka等人利用只有1隻電晶體的單元和新的擦除編程電路技術及高速靈敏度放大器，於1987年報導了第一塊256kb閃速（即閃速存儲器）。之所以稱為閃速，是因為它能同時、快速地擦除所有單元。下表比較了第一塊閃速存儲器與EPROM，一次編程PROM，的性能。

表3

1989年報導了1Mb的閃速存儲器，下面是該閃速存儲器的主要參數：

表4