Принципы работы флеш-памяти

Элементарной ячейка хранения данных флеш-памяти представляет собой транзистор с плавающим затвором. На рисунке 4 представлена структурная схема транзистора с плавающим затвором.

Рисунок 2 – Структурная схема транзистора с плавающим затвором

Особенность такого транзистора в том, что он умеет удерживать электроны (заряд). Вот на его основе и разработаны основные типы флеш-памяти NAND и NOR. Конкуренции между ними нет, потому что каждый из типов обладает своим преимуществом и недостатком.

Во флеш-памяти производители используют два типа ячеек памяти MLC и SLC:

· Флеш-память с MLC (Multi-level cell – многоуровневые ячейки памяти)ячейки более емкие и дешевые, но они с большим временем доступа и меньшим количеством циклов записи/стирания (около 10000).

· Флеш-память, которая содержит в себе SLC (Single-level cell – одноуровневые ячейки памяти) ячейки имеет максимальное количество циклов записи/стирания(100000) и обладают меньшим временем доступа.

Изменение заряда (запись/стирание) выполняется приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта.

Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Рисунок 3 – Отображение бита информации через величину заряда q на плавающем затворе в ячейках SLC и MLC

Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области ("карман") полупроводниковой структуры [4].

Принципы записи и чтения

Принцип записи

Для записи заряды должны попасть в плавающий затвор, однако он изолирован слоем оксида. Для перенесения зарядов может использоваться эффект туннелирования. Для разряда необходимо подать большой положительный заряд на управляющий затвор: отрицательный заряд с помощью туннельного эффекта покинет плавающий затвор. И наоборот, для заряда плавающего затвора необходимо подать большой отрицательный заряд.

Также запись может быть реализована с помощью инжекции горячих носителей. При протекании тока между истоком и стоком повышенного напряжения электроны могут преодолевать слой оксида и оставаться в плавающем затворе. При этом необходимо, чтобы на управляющем затворе присутствовал положительный заряд, который создавал бы потенциал для инжекции.

Рисунок 4 – инжекция горячих носителей

Каждая запись наносит небольшой ущерб оксидному слою, поэтому число записей ограничено.

Запись в NOR и NAND компоновке состоит из двух стадий: вначале все транзисторы в линии устанавливаются в 1 (отсутствие заряда), затем нужные ячейки устанавливаются в 0.

Принцип чтения

Для чтения подаётся положительный заряд на управляющий затвор. Если в плавающем затворе отсутствует заряд, то транзистор начнёт проводить ток. В противном случае ток между истоком и стоком не возникает.

В случае флеш-памяти типа NOR для чтения определённой ячейки памяти подается на её управляющий затвор промежуточный ток (достаточный для проводимости транзистора только при отсутствии заряда в плавающем затворе). На остальные ячейки в линии подается минимальный ток для исключения проводимости этих ячеек. Если в интересующей ячейке отсутствует заряд, то возникнет ток между разрядной линией и землёй.

В случае флеш-памяти типа NAND также подаётся промежуточный ток на управляющий затвор определённой ячейки. На остальные управляющие затворы в линии подаётся повышенное напряжение, чтобы они гарантировано проводили ток. Таким образом, возникнет ток между землёй и линией, если в интересующей нас ячейке отсутствует заряд.