66
5.3. Флэш-память
Флэш-память (Flash-Memory) по типу элементов памяти и принципу работы подобна ЗУ с электрическим стиранием (типа EPROM, EEPROM), однако имеет ряд отличительных особенностей:
−энергонезависима - не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи);
−обладает свойством быстро стирать массив данных одним сигналом (отсюда название памяти Flash – вспышка, мгновение), поэтому в ней предусмотрено одновременное стирание всей памяти или отдельных блоков, но не отдельных слов.
Эти особенности способствуют упрощению схемных решений, снижению стоимости микросхем, достижению высокого уровня интеграции и быстродействия.
В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью («плавающим» затвором – floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.
Одним из основных элементов флэш-памяти является матричный накопитель. В схемотехнике накопителей развиваются два направления:
−накопители на основе ячеек типа ИЛИ-НЕ (NOR) находят применение в ЗУ для хранения редко обновляемых данных;
−накопители на основе ячеек типа И-НЕ (NAND). Они более компактны, но не обеспечивают режима произвольного доступа и в основном используются для замены магнитных дисков.
5.3.1. Общий принцип работы ячейки флэш-памяти
Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применятся во флэшпамяти с NOR (ИЛИ-НЕ) архитектурой (рис. 5.15). Транзистор имеет два изолированных затвора: управляющийся и плавающий. Последний способен удерживать электроны в течение нескольких лет. В ячейке имеются так же сток и исток. При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, появляется поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
67 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
плавающий затвор, где и будут храниться. При чтении низкий уровень заряда на плавающем затворе соответствует единице, а заряд выше порогового значения — нулю.
Рис. 5.15. Схема ячейки флэш-памяти
Поведение транзистора зависит от количества электронов на плавающем затворе. Плавающий затвор играет ту же роль, что и конденсатор в динамическом ЗУ, т. е. хранит запрограммированное значение.
Помещение заряда на плавающий затвор в такой ячейке производится методом инжекции «горячих» электронов, а снятие заряда осуществляется методом туннелирования. Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.
При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе (логическая 1), под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток (рис. 5.16).
68
Рис. 5.16. Чтение 1 с ячейки флэш-памяти
Наличие заряда на плавающем затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Чтение 0 с ячейки флэш-памяти
При программировании (записи 0 ) на сток и управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют «горячими» за то, что обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика (рис. 5.18).
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ ЧАСТЬ 2
69 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Рис. 5.18. Программирование (запись 0) ячейки флэш-памяти
При стирании (записи 1) высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток (рис. 5.19).
Рис. 5.19. Стирание (запись 1) ячейки флэшпамяти
ВNOR (ИЛИ-НЕ) архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND (И-НЕ) архитектуры.
Воснове архитектуры NAND типа лежит элемент И-НЕ. От NOR (ИЛИ-НЕ) типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND микросхемы может быть существенно меньше. Запись и стирание также происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.
NAND (И-НЕ) и NOR (ИЛИ-НЕ) архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.
Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэшпамяти, поэтому в новейших микросхемах некоторых производителей