原创 NAND和NOR Flash 完全学习笔记(基础篇)

2017-7-2 14:04 2155 1 1 分类: 消费电子

本文要点:

1. NAND FLASH与NOR FLASH 的技术对比;

2. 最详细的存储单元对比详解;

3. NAND FLASH与NOR FLASH 的最新市场份额及应用;

4. NAND FLASH与NOR FLASH 的基础原理分析。


目前,NOR FLASH和NAND FLASH是市场上主要的非易失性闪存技术,但是据我了解,还是有很多工程师分不清NAND FLASH与NOR FLASH。首先,来一个直观地图片。

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然后,我从权威的网站上找到了最新的NAND FLASH收益以及市场份额表,根据最新的表单,我们可以知道谁是这个市场的老大,做的比较好一些,一方面让工程师时刻知道市场的动向,另一方面可以在之后的器件选型等方便提供重要的参考。

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一般来说,快闪记忆体可分为两大规格,一个是NAND, 一个是NOR。简单来说,NAND一般以存储数据为主,晶片容量大,容量可以达到2Gb甚至更大,NAND的读取是以一次读取一块的形式来进行的,通常一次读取512个字节,采用这种技术的Flash比较廉价;NOR一般以存储程序代码为主,又称为Code Flash,所以可让微处理器直接读取,但晶片容量较低,主流容量512Mb,NOR采用内存的随机读取技术。如果利用闪存只是用来存储少量的代码,这是NOR Flash更合适一些。用户不能直接运行NAND Flash上的代码,因此很多使用NAND Flash的Demo Board除了使用NAND Flash以外,还加上一块小的NOR Flash来运行启动代码。通过下表我比较了几乎所有关于NAND FLASH以及NOR FLASH的全部重要特性。

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然后,对于Flash三个重要概念的理解:



  1. Flash属于非易失性存储设备,内部存储单元是MOSFET,里面有一个悬浮门(Floating Gate), 是存储数据的单元。与此对应的,易失性存储设备就是断电后,数据就丢失了,例如常用的内存,不论是之前的SDRAM,还是现在通用的DDR3以及DDR4,都是断电后,数据就没有了。

  2. SLC和MLC的区别:NAND FLASH的内存单元可以分为两类,存储一位数据,也就是SLC(Single Level Cell); 对应的,存储多位数据的就是MLC(Multi Level Cell),比如两位,或者四位。

  3. 大多数的写入操作需要先进行擦除操作。

  4. 到此,对于NAND FLASH以及NOR FLASH 我们有了一个基本的认识。

    我对知识的学习一个重要的方法是对比,通过图表的对比更能看出各自的差异化,从而达到加深知识的效果,因此我做了下图来比较目前还算所有存储器的最小单元结构图,便于学习与理解。

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原理分析

要说明此原理,需要一些基本的量子物理学,我认为以下这种论述是比较适合理解的,也很有趣:

经典物理学认为,物体越过势垒,有一定的阈值能量;所以,粒子能量小于此阈值能量的不能越过,能量大于此阈值能量的可以越过。举例来说,我们骑自行车过坡道,如果先用力骑,因此有一定初入能量,坡道不高的话,即使不蹬自行车也可以依靠惯性过去;但是,如果坡道很高,不蹬自行车,可能车到了一半,可能就退回来了。

而量子力学则认为,即便是粒子能量小于阈值能量,同时很多粒子冲向势垒,虽然也有一部分粒子会反弹,但是还会有一些粒子可以越过去,好像有一个隧道,因此称为量子隧道。

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对比二者的差异发现,宏观上的确定性在微观上常常就具有不确定性。因为隧穿几率极小,因此通常情况下,隧道效应并不影响经典的宏观效应,但是某些特殊条件下也会出现。当微电子器件进一步微型化是必须要考虑量子效应。

NAND FLASH的擦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);另外,NOR FLASH擦除数据也是基于隧道效应(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)。

对于FLASH闪存单元来说,它是为三端器件,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。举个栗子,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,除非你再次倒入或倒出,所以闪存具有记忆能力。

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绝缘浮置栅极是NAND存储数据的核心


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