NOR FLASH和NAND FLASH基本结构和特点

Posted 2020-08-05

　　非易失性存储元件有很多种，如EPROM、EEPROM、NOR FLASH和NAND FLASH，前两者已经基本被淘汰了，因此我仅关注后两者，本文对FLASH的基本存储单元结构、写操作、擦除操作和读操作的技术进行了简单介绍，对了NOR和NAND由存储结构决定的特性和应用场合的差异，对后续的硬件设计和驱动编程起到铺垫作用。

1 FLASH基本存储单元---浮栅场效应管

　　NOR FLASH和NAND FLASH都是使用浮栅场效应管(Floating Gate FET)作为基本存储单元来存储数据的，浮栅场效应管共有4个端电极，分别是为源极（Source）、漏极（Drain）、控制栅极（Control Gate）和浮置栅极（Floating Gate），前3个端电极的作用于普通MOSFET是一样的，区别仅在于浮栅，FLASH就是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，当向浮栅注入电荷后，D和S之间存在导电沟道，从D极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，D和S间没有导电沟道，从D极读到‘1’，原理示意图见图1.1[1],图1.2是一个实际浮栅场效应管的剖面图。

注：SLC可以简单认为是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，MLC则是要利用浮栅中电荷的多少来表征‘00’，‘01’，‘10’和‘11’的，TLC与MLC相同。

 

2 FLASH基本存储单元的操作---写/擦除/读

　　FLASH中，常用的向浮栅注入电荷的技术有两种---热电子注入(hot electron injection)和F-N隧道效应(Fowler Nordheim tunneling)；从浮栅中挪走电荷的技术通常使用F-N隧道效应(Fowler Nordheim tunneling)，基本原理见图2[2]。

　　写操作就是向浮栅注入电荷的过程，NOR FLASH通过热电子注入方式向浮栅注入电荷（这种方法的电荷注入效率较低，因此NOR FLASH的写速率较低），NAND FLASH则通过F-N隧道效应向浮栅注入电荷。FLASH在写操作之前，必须先将原来的数据擦除（即将浮栅中的电荷挪走），也即FLASH擦除后读出的都是‘1’。

　　擦除操作就是从浮栅中挪走电荷的过程，NOR FLASH和NAND FLASH都是通过F-N隧道效应将浮栅中的电荷挪走的。

　　读出操作时，控制栅极上施加的电压很小，不会改变浮栅中的电荷量，即读出操作不会改变FLASH中原有的数据，也即浮栅有电荷时，D和S间存在导电沟道，从D极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，D和S间没有导电沟道，从D极读到‘1’。

3 NOR FLASH 和NAND FLASH的结构和特性

3.1 NOR FLASH的结构和特性

　　NOR FLASH的结构原理图见图3.1，可见每个Bit Line下的基本存储单元是并联的，当某个Word Line被选中后，就可以实现对该Word的读取，也就是可以实现位读取（即Random Ａccess），且具有较高的读取速率，图3.1是一个3*8bit的NOR FLASH的原理结构图，图3.2是沿Bit Line切面的剖面图，展示了NOR FLASH的硅切面示意图，这种并联结构决定了NOR FLASH的很多特性。

           

        

 

（1）基本存储单元的并联结构决定了金属导线占用很大的面积，因此NOR　FLASH的存储密度较低，无法适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于code-storage，不适用于data-storage,见图3.3[3]。

（2）基本存储单元的并联结构决定了NOR FLASH具有存储单元可独立寻址且读取效率高的特性，因此适用于code-storage，且程序可以直接在NOR 中运行（即具有RAM的特性）。

（3）NOR FLASH写入采用了热电子注入方式，效率较低，因此NOR写入速率较低，不适用于频繁擦除/写入场合。

　　最后来个小贴士：NOR  FLASH的中的N是NOT，含义是Floating Gate中有电荷时，读出‘0’，无电荷时读出‘1’，是一种‘非’的逻辑；OR的含义是同一个Bit Line下的各个基本存储单元是并联的，是一种‘或’的逻辑，这就是NOR 的由来。 

3.2 NAND FLASH的结构和特性

　　NAND FLASH的结构原理图见图3.4，可见每个Bit Line下的基本存储单元是串联的，NAND读取数据的单位是Page，当需要读取某个Page时，FLASH 控制器就不在这个Page的Word Line施加电压，而对其他所有Page的Word Line施加电压（电压值不能改变Floating Gate中电荷数量），让这些Page的所有基本存储单元的D和S导通，而我们要读取的Page的基本存储单元的D和S的导通/关断状态则取决于Floating Gate是否有电荷，有电荷时，Bit Line读出‘0’，无电荷Bit Line读出‘1’，实现了Page数据的读出，可见NAND无法实现位读取（即Random Ａccess），程序代码也就无法在NAND上运行。

　　图3.4是一个8*8bit的NAND FLASH的原理结构图，图3.5是沿Bit Line切面的剖面图，展示了NAND FLASH的硅切面示意图，NAND FLASH的串联结构决定了其很多特点.

（1）基本存储单元的串联结构减少了金属导线占用的面积，Die的利用率很高，因此NAND FLASH存储密度高，适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于data-storage，见图3.3[3]。

（2）基本存储单元的串联结构决定了NAND FLASH无法进行位读取，也就无法实现存储单元的独立寻址，因此程序不可以直接在NAND 中运行,因此NAND是以Page为读取单位和写入单位，以Block为擦除单位，见图3.6。

（3）NAND FLASH写入采用F-N隧道效应方式，效率较高，因此NAND擦除/写入速率很高，适用于频繁擦除/写入场合。同时NAND是以Page为单位进行读取的，因此读取速率也不算低（稍低于NOR）。

最后来个小贴士：NAND FLASH的中的N是NOT，含义是Floating Gate中有电荷时，读出‘0’，无电荷时读出‘1’，是一种‘非’的逻辑；AND的含义是同一个Bit Line下的各个基本存储单元是串联的，是一种‘与’的逻辑，这就是NAND 的由来。

3.3 NOR 和NAND的比对

       通过3.1和3.2节对NOR和NAND结构和特点的解析，我们可以得出图3.7[5]和图3.8[5]中的结论，更详细的比对请见参考文献[3]

4 FLASH基本存储单元的可靠性问题

　FLASH的可靠性问题已经超出了本文需要讲解内容的范畴，如有兴趣，请见参考文献[7]

参考文献

[1]  Introduction to Flash Memory   ROBERTO BEZ, EMILIO CAMERLENGHI, ALBERTO MODELLI, AND ANGELO VISCONTI

[2]  FLASH MEMORY TECHNOLOGY

[3]  Two Flash Technologies Compared: NOR vs NAND  Written by: Arie Tal

[4]  http://www.360doc.com/content/06/1120/10/12646_266138.shtml

[5]  NAND vs. NOR Flash Memory Technology Overview  TOSHIBA

[6]  Flash Memory Cells—An Overview

[7]  Reliability issues of flash memory cells