Флэш-накопители

 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа по дисциплине «Информационные  технологии» 

на тему:

РАЗВИТИЕ  ТЕХНОЛОГИИ ФЛЭШ-НАКОПИТЕЛЕЙ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург

2009

 

     Содержание 

 

Введение

     Технология  флэш-памяти появилась около 20-ти лет  назад. В конце 80-х годов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве альтернативы EPROM (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ).

     Рынок флэш-памяти – самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка. Ежегодно он растет более чем на 15 %, что превышает суммарный рост всей остальной полупроводниковой индустрии. Количество компаний, выпускающих этот тип памяти, стремительно увеличивается, а цена на неё так же быстро падает. В 2000 году объёмы производства флэш-памяти превысили объёмы производства SRAM. В 2002 году общемировой объем продаж флэш-памяти составил 7,7 млрд. долларов.

     Сегодня флэш-память применяется в самых разных цифровых устройствах.

     Занимая в начале своего пути лишь небольшую рыночную нишу, сейчас флэш – одна из основных технологий полупроводниковой памяти, и можно с уверенностью сказать, что ее путь развития еще не закончен. 

 

     1 История развития  флэш-памяти

     Флэш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в компании Toshiba в 1984 году. Имя «флэш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Сёдзи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на конференции в IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флэш-чип NOR-типа.

     NAND-тип флэш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference. У него была выше скорость записи и меньше площадь чипа.

     Стандартизацией чипов флэш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0, выпущенная в 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается крупнейшими производителями NAND чипов: Intel, Micron Technology и Sony.

     Флэш-память (Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но записывать данные в такую память можно лишь ограниченное число раз. Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

     Благодаря своей компактности, дешевизне и  низкой потребности в электроэнергии флэш-память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах: цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных периферийных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, коммуникаторах, принтерах, сканерах).

     2 Организация флэш-памяти

     Ячейки  флэш-памяти бывают как на одном, так  и на двух транзисторах.

     В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью («плавающим» затвором — floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации (рисунок 1).

Рисунок 1 – Ячейка флэш-памяти

     При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки):

• методом инжекции «горячих» электронов — подвижные носители заряда в твердом проводнике, становятся «горячими» при протекании электрического тока через проводник под действием достаточно сильного электрического поля;
• методом туннелирования электронов — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике.

     Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора — плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, то есть он электрически не связан с другими электродами и его потенциал «плавает».) производится всегда единственным способом — методом тунеллирования.

     Как правило, наличие заряда на транзисторе  понимается как логический ноль «0», а его отсутствие — как логическая единица «1».

     2.1 Общий принцип работы ячейки флэш-памяти

     Рассмотрим  простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а также в микросхемах EPROM.

     Поведение транзистора зависит от количества электронов на «плавающем» затворе. «Плавающий» затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит записанное в ячейку значение.

     Помещение заряда на «плавающий» затвор в такой ячейке производится методом инжекции «горячих» электронов (CHE — channel hot electrons), а снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim).

     Эффект  туннелирования — один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядности можно представить себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой за счёт только своей энергии электрон не может — её на это не хватает. Но при создании определённых внешних условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток (рисунок 2).

     При считывании данных, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток (рисунок 2).

     

     Рисунок 2 — Считывание данных, в отсутствие заряда

       на «плавающем» затворе

     Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольтамперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает (рисунок 3).

     

Рисунок 3 — Считывание данных при наличие

заряда  на «плавающем» затворе

     При записи данных в ячейку на сток и  управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольтамперные характеристики транзистора (рисунок 4).

     

     Рисунок 4 — Запись данных в ячейку флэш-памяти

     При стирании данных в ячейке высокое  напряжение подаётся на исток. На управляющий  затвор (опционально) подаётся высокое  отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток (рисунок 5).

     

     Рисунок 5 — Стирание данных из ячейки флэш-памяти

     2.2 Методы формирования заряда в ячейке флэш-памяти

• FN tunneling — не требует большого напряжения. Размер ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHE.
• CHEI — требует более высокого напряжения, по сравнению с FN.

     Таким образом, для разных режимов работы памяти используются напряжения разных значений, то есть требуется поддержка двойного питания. Программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.

     Следует заметить, что, кроме FN и CHE, существуют другие методы программирования и стирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако два описанных применяются чаще всего.

     Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, поэтому в новейших микросхемах некоторых производителей применяются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс стирания-записи, а также алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек в процессе функционирования.

     2.3 Виды ячеек

     Stacked Gate Cell — ячейка с многослойным затвором. Метод стирания данных — Source-Poly FN Tunneling, метод записи — Drain-Side CHE Injection.

     SST Cell, или Super Flash Split-Gate Cell (Silicon Storage Technology - компания-разработчик технологии) - ячейка с расщеплённым затвором. Метод стирания - FN Tunneling, метод записи - Source-Side CHE Injection.

     Two Transistor Thin Oxide Cell - двухтранзисторная ячейка с тонким слоем окисла. Метод стирания — Drain-Poly FN Tunneling, метод записи - Drain FN Tunneling.

     Кроме наиболее часто встречающихся ячеек  с «плавающим» затвором, существуют также ячейки на основе SONOS-транзисторов, которые не содержат плавающего затвора. В SONOS-ячейках функцию «плавающего» затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик (ONO). Расшифровывается SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как полупроводник – диэлектрик – нитрид – диэлектрик – полупроводник. Вместо давшего название этому типу ячейки нитрида в будущем планируется использовать поликристаллический кремний.

 

      Многоуровневые ячейки.

     В последнее время многие компании начали выпуск микросхем флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит не один, а два бита. Технология хранения двух и более бит в одной ячейке получила название MLC (multilevel cell —многоуровневая ячейка - рисунок 6).

     В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать одно из двух состояний — «0» или «1». Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на «плавающий» затвор транзистора. В отличие от «обычной» флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещённых на «плавающий» затвор, и, соответственно, может принимать большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит.

     Во  время записи на плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее  необходимому состоянию. От величины заряда на «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.

     Основные  преимущества MLC микросхем:

• При равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе «обычной» и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит - больше).
• На основе MLC создаются микросхемы большего, чем на основе однобитных ячеек, объёма.