Флеш-память. 
Электроника и схемотехника

Флеш-память можно рассматривать как логическое развитие постоянной памяти, основным режимом работы которой является режим считывания. Ее появление обусловлено стремлением разработчиков создать энергонезависимую память со свойствами оперативных ЗУ. Флеш-память как память с электрическим стиранием относится к классу энергонезависимой перезаписываемой памяти, однако в отличие от EEPROM обладает большей скоростью стирания данных и не требует при этом специальной аппаратуры и других средств, а в отличие от EPROM — большей информационной емкостью и меньшей стоимостью. Название «Flash» дано компанией Toshiba (первым разработчиком микросхем этой памяти) и, повидимому, связано с высокой скоростью стирания (in a flash — в один миг, в мгновение ока), хотя существуют и другие версии происхождения названия.

Следует выделить две основных области применения флеш-памяти.

• 1. Хранение редко обновляемых данных. В этом случае приоритетными параметрами являются информационная емкость и скорость считывания информации. Стирание в этих схемах может быть как одновременным для всей памяти, так и блочным. К первой группе ЗУ относится память типа bulk erase (полное стирание) фирмы Intel. Среди ЗУ с блочным стиранием следует выделить схемы со специализированными блоками (boot block flash memory) — несимметричные блочные структуры. Это название связано с boot-блоками, или загрузочными блоками, которые хранят так называемые программы инициализации системы, используемые при включении.
• 2. Замена памяти на магнитных дисках. В микросхемах флешпамяти (flash-file memory), предназначенных для замены жестких магнитных дисков, используются симметричные блочные структуры. Эти микросхемы содержат более развитые средства перезаписи информации и имеют идентичные блоки.

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию флеш-память находит широкое применение в самых разных цифровых и микропроцессорных устройствах.

Устройство ячейки флеш-памяти. Простейшей ячейкой флешпамяти является МОП-структура (рис. 11.16, а), отличающаяся от обычного я-канального транзистора тем, что содержит два изолированных затвора:

• • управляющий затвор (control gate), выполняющий свои обычные функции;
• • плавающий затвор (f loating gate), предназначенный для длительного (многие годы) хранения заряда.

Благодаря плавающему затвору МОП-структура обладает способностью хранить двоичную информацию. Путем изменения его.

Рис. 11.16. Физическая структура ячейки флеш-памяти (а) и ее условное обозначение (б).

состояния кодируется один бит данных. Обычно наличие заряда (электронов) на затворе соответствует логическому нулю, а его отсутствие — логической единице. В исходном состоянии плавающий затвор не содержит электронов.

Основные режимы работы ячейки флеш-памяти. Программирование ячеек. Программированием называют процесс введения электронов в область плавающего затвора. Для этого на электроды ячейки-транзистора подают соответствующие напряжения (рис. 11.17, а).

Рис. 11.17. Режимы программирования (а) и стирания (б).

При программировании флеш-памяти используют два способа:

• • способ инжекции горячих электронов (channel hot electrons injection), при котором на сток и управляющий затвор относительно истока подается высокое напряжение, причем на управляющем затворе напряжение приблизительно в два раза превышает напряжение на стоке. Между истоком и стоком образуется канал. Электроны, обладающие энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой пленкой диэлектрика, инжектируются из канала на плавающий затвор. Такие электроны называют горячими электронами;
• • способ туннелирования электронов {channel tunneling). Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрон, обладающий энергией меньшей, чем высота потенциального барьера, способен проникнуть через него. В наиболее сильной мере он проявляется в переходах, образованных вырожденными полупроводниками. В сильно легированных полупроводниках внутренняя напряженность поля в переходе обеспечивает возможность прохождения электронов при небольших напряжениях обоих знаков. Этот способ не требует двойного питания и высокого напряжения, однако уступает способу инжекции горячих электронов, но времени программирования.

Режим стирания. Снятие заряда с плавающего затвора, или стирание содержимого ячейки, производится способом туннелирования. При стирании относительно стока подаются высокое положительное напряжение на исток, а отрицательное напряжение — на управляющий затвор. Электроны туннелируют на исток (рис. 11.17, б).

Режим чтения. В этом режиме на управляющий затвор и сток полается положительное напряжение, при этом:

• • в отсутствие заряда на плавающем затворе в подложке между истоком и стоком образуется п-канал и возникает ток (рис. 11.18, а);
• • при наличии отрицательного заряда происходит блокировка канала, и ток через транзистор не протекает (рис. 11.18, б).

Рис. 11.18. Режимы чтения при отсутствии (а) и наличии (б) заряда на плавающем затворе Многоуровневые ячейки памяти. Рассмотренная выше стандартная ячейка флеш-памяти имеет двухуровневую логическую организацию (рис. 11.19, а), при которой:

• • ячейке, находящейся в состоянии логической единицы, соответствует заряд (количество электронов) плавающего затвора с низким уровнем единицы;
• • ячейке, находящейся в состоянии логического нуля, соответствует более высокий уровень заряда (уровень нуля).

Рис. 11.19. Двухуровневая (а) и четырехуровневая (б) ячейки.

Многоуровневая ячейка (multi level cell — MLC) способна различать более двух уровней заряда, который вводится в плавающий затвор в процессе программирования, и поэтому имеет большее число состояний. Каждое состояние кодируется соответствующей комбинацией бит. Объем памяти ячейки определяется разрядностью кода. В приведенной на 11.19, б ячейке используется четыре уровня заряда, которым соответствуют четыре состояния, описываемые двухразрядным кодом 00, 01, 10,11. Поэтому объем памяти ячейки составляет 2 бита. В режиме считывания данных измеряется напряжение, соответствующее среднему уровню заряда конкретной ячейки, и по его значению выявляется ее состояние. Таким образом, при считывании можно определить записанную в память последовательность бит.

Основными достоинствами MLC-памяти являются:

• • более низкое соотношение стоимость/объем памяти;
• • при равных размерах микросхем и одинаковом техническом процессе стандартной и MLC-памяти последняя способна хранить больший объем информации. Поэтому на основе MLC-иамяти создаются микросхемы большего, чем на основе однобитных ячеек, объема памяти.

К недостаткам MLC-памяти следует отнести:

• • повышенное количество ошибок, устранение которых требует дополнительных средств;
• • дополнительные затраты на специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек;
• • сравнительно низкие скоростные характеристики памяти.

В области MLC-памяти особых успехов добились корпорации Intel со своей разработкой StrataFlash и AMD с MinvrBit.