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1、闪存的体系结构C. GOLLA and S. GHEZZISGS-Thomson, via C. Olivetti 2, 2004 Agrate Brianza, Italy(Received 23 April 1997)摘要：Flash存储器（闪存）进入非易失性存储器领域只有几年的时间，但现在这种存储器已经能与电可擦除只读存储器和电可编程只读存储器竞争并取代它们的位置。事实上，它们的优良特性在如今的工业应用中正变得越来越受欢迎。使用闪存进行系统升级，它的低功耗，程序的嵌入式运算法则以及可擦除性，高精度，封装低成本等优点是使得闪存在非易失性存储器市场中占有率不断提高的诸多因素之一。下面，我们必
2、须解释为什么市场对闪存有如此需求，这类存储器的主要应用在哪些方面以及它们的体系结构是如何形成的等等问题。正文：一、 闪存的市场定位闪存设备在处理ar.d设计的某些方面和电可编程只读存储器（EEPROM）和电可擦除只读存储器（EPROM）是相似的，但是它所具有的一些特殊的特点却使得闪存设备更受偏爱。事实上，即使电可编程只读存储器有这很简单的使用方法，但相对于闪存来说，由于它们在应用中需要昂贵的陶瓷外壳封装和配套的插座设备以使用紫外线来存取或擦除存储器，因此价格是比较高的。闪存设备使用十分简单的封装方式，虽然更加复杂的设计决定了它价格的升高，但是能够在系统内部实现程序重调的优点还是使得它们应用在那
3、些我们日常生活中经常需要升级的系统中十分有效。电可擦除只读存储器在设计上有着比闪存更高的复杂性，但是一般应用于系统内部以字节或字为单位的升级。（现在常用的系统通常同时处理许多个字节的数据，所以其实没有必要对单个或少数几个字节进行改动。）因此，闪存有时可以替代可擦除只读存储器的功能，提高系统在高精度和低成本上的优势。制造商在生产闪存时利用了它和电可擦除只读存储器在设计以及特别是在使用上的相似点；事实上，产品生产线的再次利用是一种基本现象，并且这样的做法使得闪存被使用者所大量接受而得到大量生产。因为这个原因，闪存设备很快就在非易失性存储器市场中占有了一席之地。闪存现在已经被广泛接受和使用，所以主要
4、的生产商都在致力于建设闪存产品生产线。闪存产品在今后几年继续走俏的预测就是一个强有力的证明：一些人认为我们现在还仅仅处在闪存发展的起步阶段。即使生产商仅仅想用闪存来替代电可编程只读存储器，闪存市场也将在收益和芯片生产方面占有一个重要的市场份额；事实上，闪存的价格会很快与电可编程只读存储器持平。实际上，另外两个主要的应用市场也正为闪存敞开：PC机内部动态随机存取存储器和传统硬盘的替代，特别是对于手提式电脑。不仅如此，闪存对新兴的工程项目也有着很好的适应性，所以闪存将在未来的几年内迅速发展的预言将在若干年后成为现实。二、 闪存的应用闪存的特点使得它们可以在一个广泛的应用范围内发挥不同的作用。闪存应
5、用在电脑设备中使得系统的升级可以在任何时间通过软件迅速实现。这个应用是通过取代电可编程只读存储器实现的。事实上，PC机中比较有代表性的如基本输入输出系统（BIOS），打印机中真实的打印字体和便携式电脑的配置等都是存储在EPROM中，仅仅有一些极小可能性的改变。如今，新型的设备正在通信行业中广泛使用，而这才是存储器未来应用的真正前景。手机（cellular phone）、调制解调器（modem）、传真（fax），网络适配器（network adapter）等通信产品现在都使用闪存来存储软件，通常也用于存储动态的新协议来保留用户的偏好设置。这里，封装大小和轻巧性是两个重要的特性，因为这样的设备通常
6、是便携式的。军用产品也在导航系统和武器系统、搜索和导航行动中广泛使用闪存。这些装备在使用闪存后在极端恶劣的情况下也能在程序重调方面体现出很高的多功能性。在电视机（TV）和录像机（VCR）、游戏、电子相机和电影、音频设备以及很多其他的电子产品中也通过使用闪存实现允许拥护存储选定的配置和更改必需的设定的特点。甚至，这些产品的生产商可以容易地根据任何需要更换其中正在运行的程序。（例如维修一个软件故障或者为了更好的表现性）。汽车生产线在发动机控制器中使用闪存，防滑刹车系统（ABS）、安全气囊和其他设备；这些系统可以从周围环境中捕捉信息并把信息存储在闪存中，准备在合适的时机使用。任何类型的工业都可以在它
7、们的电子机械中使用闪存，以开发出它们一个或更多的功能。三、 闪存的组成结构接下来，我们将要通过一系列的功能测试来探讨闪存的技术细节。一块闪存芯片最主要最基本的单位是基础的信息存储单元。这个基础的基本存储单元，在逻辑术语中称为“比特”，从未被单独使用过。但是至少8个比特被集合在一起得到一个“字节”（现在开始使用16个比特构成一个“字”，相当于两个字节）。因为一个闪存设备中的比特单元是平行排列的，所以想要解释它的功能性只需要考虑一个单元就足够了。一个闪存单元可以被认为是一个极端可以在特定情况下改变的n-channel晶体管。让我们设想把一个固定电压加到一个门限电压较低的晶体管上，一股电流将通过它；
8、这时擦除单元处于工作状态。让我们再设想把相同的电压加到门限电压较高的晶体管上，管中将没有电流通过；这时程序单元处于工作状态。以上描述的特性可以在一种具有“堆栈门”的特殊晶体管，那是一种在一个门之上还有一个门的晶体管。上面的门被成为“控制门（Control Gate）”并被作为一个晶体管门来使用，下面的门被成为“浮动门(Floating Gate)”，因为它无法受到直接控制。如果没有对浮动门的修改，这个存储单元就是一个通常的晶体管；在另一方面，如果我们能够把一些负电荷放在浮动门里，这个晶体管单元就得到了一个较高的门限。这两种情况可以通过判别通过单元的电流值的不同来进行区别。这种操作被成为“读单元
9、”，是通过给晶体管单元的控制门上加上通常是相同的固定电压，并观察晶体管单元的电流消耗。如果电流为0或者电流值很低，单元具有一个高门限并且被判定为逻辑“0”；如果电流存在或者电流值很高，单元具有一个低门限并被判定为逻辑“1”。至今为止，读存储器所需的电压供应为5V(允许误差为正负10%)并且直接供应给控制门。但是新的发展驱使我们设计使用越来越低供电电压的设备（低至3V甚至3V以下）。因此需要特殊的电路来把电压提升到一个更高的值。闪存单元可以支持一个被成为“操作单元”的二次操作。这个操作由用电子把负电加到浮动门上组成，因此电压门限必须提高。电子域与闪存单元结合驱动电子通过晶体管通道到达浮动门。电压
10、偏置的如此构造使得源端接地；消耗定义为电压处在某一电平时可以用足够的速度把一个电子从源端吸引过来；控制门电压被偏置为某一电平以得到一个合适的能从消耗端吸引电子的电子域。电子域的电平值越高，越多的电子就会得到足够的能量来穿越内部的氧化物障碍；这种方法被称为“热电子注射”；实际上，这个过程是通过把5.5V电压加到消耗端并把12V电压加到控制门实现的；这使得这个过程只需要一个快速的微秒级别的处理时间。最后一个操作被成为“擦除单元”，是由从控制门吸引被注射入的电子实现的。在这个过程中，产生了一个被成为“福勒诺德海姆通道”的物理效应，那是一个由一个合适的电子域使浮动门内的电子有能力穿过内部障碍。当一个高
11、场强电子域（大约10MV/cm）穿过一个金属氧化物（MOS）电容器时，电容器的绝缘材质会变成导体。单元的擦除过程所需的时间和处于微秒级别的操作过程相比是十分缓慢的，因为用这种方法得到的电流是很微弱的，但是至今为止也没有一个更好的解决方法。如果电流能够变得更大，擦除操作的效率将会大大提高，但是这也导致单元的压力猛增。想要解决擦除时间缓慢的问题，可以将大量的单元同时一起擦除，这样总体的时间就被平均分配到了所有每一个单元；这是可以实现的因为擦除一个单元与擦除其他任意数量的单元所消耗的时间一般是相同的。擦除过程实际上需要12V的源端电压、0V的控制门电压和0V 的浮动门电压或者在阴极门擦除时大约5V的源端电压，-8V的控制门和浮动门电压。
