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快閃記憶體(Flash ROM)

Hightech   2017-09-03    A20170903001
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❒ 快閃記憶體(Flash ROM)的構造
快閃記憶體的構造及工作原理與EEP-ROM相似,如<圖一>所示,中央P型矽晶圓上方的絕緣層「氧化矽」厚度比較薄,存取資料的原理是以高電壓(通常大於10V)使電子由左方N型的源極「穿隧(Tunneling)」氧化矽儲存在「浮動閘極(FG:Floating Gate)」;再以高電壓吸引浮動閘極內的電子由右方N型的汲極流出。不同的是以大區塊(通常是千位元組KB)為清除單位來抹除資料,故稱為「快閃(Flash)」。

➤來源線(Source line):電荷的來源,因為使用NMOS所以電荷是電子。
➤位元線(Bit line):用來偵測是否導通,讀取這個位元是0或1。
➤字元線(Word line):控制閘極用來控制下方是否產生電子通道。

 

圖一 快閃記憶體(Flash ROM)的構造示意圖。

 

❒ 快閃記憶體(Flash ROM)的種類
➤NOR閘型快閃記憶體(NOR flash):容量較低,存取速度較快,價格較高,又稱為「Code storage flash」,如<圖二(a)所示>,由於單元(Cell)連結方式與NOR閘相同所以稱為「NOR閘型」,一般用來儲存資料量較少的軟體程式,例如:行動電話的開機程式與作業系統。
NOR閘型快閃記憶體的每個單元(Cell)以並聯的方式連接到位元線,方便對每一個位元進行隨機存取,具有專用的位址線,可以一次性的直接尋址,而且可以「原地執行(XIP:eXecute In Place)」;縮短了處理器指令的執行時間,但是相同記憶容量尺寸比NAND閘型大一倍,通常微處理器(MCU)內建的嵌入式非揮發性記憶體都是使用NOR閘型快閃記憶體。
➤NAND閘型快閃記憶體(NAND flash):容量較高,存取速度較慢,價格較低,又稱為「Data storage flash」,如<圖二(b)所示>,由於單元(Cell)連結方式與NAND閘相同所以稱為「NAND閘型」,一般用來儲存資料量較大的使用者資料庫,例如:行動電話的作業系統與應用程式(APP)、錄音筆的錄音內容、數位相機與數位錄影機的記憶卡等。
NAND閘型快閃記憶體的每個存儲單元以串聯的方式連接到位元線,分為Bank、Plane、Block、Page等,如果每個Page是512Byte就有512個8位元,也就是每個Page有512條位元線,每條位元線有8個存儲單元。

 

圖二 快閃記憶體(Flash ROM)的單元(Cell)連結方式示意圖。

 

NAND閘型快閃記憶體雖然不可快速隨機存取,但是這個問題可以利用修改控制晶片來解決,同時大幅提升存取速度,所以目前所有智慧型手機內的作業系統(例如:Android、iOS、Windows phone等),都是使用NAND閘型快閃記憶體來儲存。大家猜猜看,目前世界上使用量最大的快閃記憶體是NOR閘型或NAND閘型呢?因為NOR閘型都是用在儲存開機用的作業系統,所以使用量很小,但是NAND閘型主要是用來儲存資料,再加上製程線寬不斷縮小,32GB以上的NAND閘型已經非常普及,所以用量最大的當然是NAND閘型快閃記憶體囉!目前甚至可以結合控制晶片與大容量的NAND閘型快閃記憶體,用來取代傳統的硬碟機應用在平板電腦或筆記型電腦上,我們稱為「固態硬碟(SSD:Solid State Disk)」。

 

❒ 電荷儲存式快閃記憶體(CTF:Charge Trap Flash)
傳統的快閃記憶體(Flash memory)是使用多晶矽來製作「浮動閘極(FG:Floating Gate)」,由於多晶矽儲存電荷的效果不佳,後來廠商使用「氮化矽(SiN)」薄膜取代「多晶矽(Poly Silicon)」做為浮動閘極,工作原理與快閃記憶體相同,為了有別於傳統的快閃記憶體所以為它取了新名字稱為「電荷儲存式快閃記憶體(CTF:Charge Trap Flash)」。知識力www.ansforce.com。
➤SONOS架構:使用「氮化矽(SiN)」薄膜取代「多晶矽(Poly Silicon)」做為浮動閘極,由上而下為多晶矽/氧化矽/氮化矽/氧化矽/單晶矽,如<圖三(a)>所示。
➤TANOS架構:由上而下為鉭(Tantalum)、氧化鋁(Aluminum Oxide)、氮化物(Nitride)、氧化物(Oxide)與矽晶層(Silicon)組成的電荷儲存式快閃記憶體,如<圖三(b)>所示。

 

圖三 電荷儲存式快閃記憶體(CTF)結構示意圖。

 

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【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業,全華圖書公司」。<我要買書

 

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