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快閃存儲(chǔ)器又稱(chēng)為閃爍存儲(chǔ)器，它是在EPROM和E2PROM的制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生的一種新型的電可擦除、非易失性記錄器件。EPROM為單管單元疊柵器件，編程靠溝道熱電子，擦除靠紫外光。E2PROM為帶有選擇管的兩管單元，編程和擦除均靠F-N隧道效應(yīng)，它既可在系統(tǒng)中進(jìn)行可編程，又可通過(guò)譯碼對(duì)個(gè)別位進(jìn)行擦除和改寫(xiě)，因此系統(tǒng)調(diào)試很方便。

閃爍存儲(chǔ)器采用EPROM單管單元結(jié)構(gòu)，其加工工藝和編程機(jī)理都與EPROM類(lèi)似，只是浮柵氧化層采用E2PROM的隧道氧化層。因此，它既具有EPROM的價(jià)格便宜、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有E2PROM的電可擦除和可重寫(xiě)性。并且，它的訪問(wèn)時(shí)間短（小于60ns），擦除和重寫(xiě)的速度快。一塊1M位的閃爍存儲(chǔ)芯片，其擦除和重寫(xiě)一遍的時(shí)間小于5s，比一般標(biāo)準(zhǔn)的E2PROM要快得多。由于單元面積小，集成度可做到EPROM的水平，且全塑料封裝，因而成本較低。但它只能整片擦除，不能像E2PROM那樣逐個(gè)字節(jié)進(jìn)行擦除和重寫(xiě)，且允許的擦除次數(shù)有限，目前只能達(dá)10萬(wàn)次左右。

一、快閃存儲(chǔ)器的工作原理

快閃存儲(chǔ)單元如圖1所示，它在MOS管中印入一個(gè)浮柵，這個(gè)浮柵與源極、漏極以及控制柵之間都是電絕緣的。

圖1 快閃存儲(chǔ)單元

柵氧化層的厚度為10~20mm，其信息寫(xiě)入與讀出的原理與EPROM類(lèi)似。如果浮柵上注入電子狀態(tài)表示“1”，無(wú)注入電子狀態(tài)表示“0”。當(dāng)漏極以及控制柵均加高壓，源極接地時(shí)，漏極與控制柵間形成的電場(chǎng)使溝道中運(yùn)動(dòng)的電子加速，這些高能量的電子中的一部分將會(huì)獲得足夠的能量以穿過(guò)柵氧化層到達(dá)浮柵。高壓撤除后，這些電子由于沒(méi)有通路將仍被限制在浮柵上。讀取信息時(shí)，在控制柵加上+12V的工作電壓，根據(jù)溝道有否電流流過(guò)，即可判斷“1”或“0”。

信息的擦除是將控制柵隔離（斷開(kāi)），漏極接地，源極接正高壓，使柵氧化層兩邊產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，引起所謂的F-N（Fowler Nordheim）隧道效應(yīng)，即將電子從浮柵上拉下來(lái)，并在電場(chǎng)的加速下到達(dá)源極而復(fù)合掉，從而達(dá)到擦除的目的。

二、快閃存儲(chǔ)器與其他半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能比較

從非易失性來(lái)看，半導(dǎo)體ROM是最早出現(xiàn)的-種非易失性存儲(chǔ)器（NVMK由于它是在擴(kuò)散級(jí)進(jìn)行編程的，因而價(jià)格最便宜，但不具有電可編程性，即靈活性差。因此，掩膜ROM主要用于設(shè)計(jì)成本低且量大的應(yīng)用領(lǐng)域。

EPROM的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于熱電子注入浮柵的方法使其具有可編程性，即靈活性，但其擦除不可在系統(tǒng)中進(jìn)行，而要用紫外光。因此，它需要一種特殊的陶瓷封裝材料，這就使成本大大提高。此外，還有一種組裝在無(wú)窗口的塑料封裝中的EPROM，它只能一次性編程，故稱(chēng)為一次性可編程EPROMoE2PROM每單元有兩只晶體管，能進(jìn)行位級(jí)擦除和編程，其功耗低、耐用，因采用塑料封裝而成本較低。但是，其單元面積較大，通常為EPROM的2~3倍。由于它有10nm左右的薄隧道氧化層，工藝難度較EPROM的大，因而價(jià)格也比EPROM的高。現(xiàn)在，已設(shè)計(jì)出由不同類(lèi)型的組合而成的用于高速非易失性存儲(chǔ)器的專(zhuān)用存儲(chǔ)器（ASM），當(dāng)然成本也就相應(yīng)地提高了。

快閃存儲(chǔ)器是EPROM和E2PROM技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，因而它兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。它工作于12V時(shí)，可以像E2PROM-樣實(shí)現(xiàn)帶電改寫(xiě)，而工作于+5V或0V時(shí)，其內(nèi)容就像EPROM一樣不可改寫(xiě)，它還具有不揮發(fā)性、存儲(chǔ)密度高、功耗低等特點(diǎn)。快閃存儲(chǔ)器與其他半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能比較如圖2所示。

圖2 快閃存儲(chǔ)器與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器成本與性能比較

三、快閃存儲(chǔ)器與磁盤(pán)性能的比較

大家知道，磁盤(pán)很容易受到各種機(jī)械震動(dòng)的影響，受震動(dòng)后，磁頭就容易錯(cuò)位，而修復(fù)它既費(fèi)錢(qián)又費(fèi)時(shí)。大部分磁盤(pán)規(guī)定的工作震動(dòng)容量是10千兆次，而快閃存儲(chǔ)器的工作震動(dòng)容量是1000千兆次。由于軟、硬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器帶有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因而與不需要機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的快閃存儲(chǔ)器相比，可靠性低、功耗大。并且，機(jī)械因素也制約著磁盤(pán)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)速率。因?yàn)閷?xiě)/讀數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭必須首先移動(dòng)到正確的磁道上，然后還要等待磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)到要讀的扇區(qū)。磁盤(pán)的這個(gè)延遲時(shí)間為數(shù)十ms，而快閃存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間只受到電子路徑的限制，可以低于0.2ns?？扉W存儲(chǔ)器和磁盤(pán)的幾種典型參數(shù)值如表1所示。

表1 快閃存儲(chǔ)器和磁盤(pán)的幾種典型參數(shù)值

  訪問(wèn)時(shí)間/ms 功耗/W MB/g MB/cm3 振動(dòng)/千兆次

快閃驅(qū)動(dòng)器 0.5 0.03 0.36 0.51 1000

快閃存儲(chǔ)芯片 0.2 0.002 2.41 5 1000

1.7”硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 20 1 0.21 0.34 10

2.5”可換硬驅(qū)器 14.5 0.4 0.25 0.34 10

3.5”軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 94 0.14 0.01 0.02 5