非易失性存储器
1. 绪论
随机存储器（如DRAM 和SRAM ）的缺点之一就是掉电后所存储的数据会随之丢失。为了克服这个问题，人们已设计并开发出了多种非易失或/且可编程的存储器。最近，基于浮栅概念的闪存由于其小的单元尺寸和良好的工作性能已经成为最通用的非易失存储器。因此,在本文中，我们将着重介绍ROM 的两种结构（即NOR 和NAND 阵列）和闪存的基本结构及其应用。
2. MOS ROM 阵列的两种实现方法
2.1 基本ROM 单元
只读存储器阵列可以看做是一种简单的组合布尔逻辑，即它对每个输入组合（地址）都会产生一个指定的输出值。因此，在一个特定地址存储二进制信息，可以通过被选行（字线）与被选列（位线）间有无数据路径（相当于特定位置上有无元件或元件是否在标准电压下导通）来实现。而实现数据路径的基本结构有两种，即NOR 和NAND 阵列。
图2.1 ROM 的1和0 单元的不同实现方式
首先，考虑最简单的单元，如图2.1(a)所示，这是一个基本的ROM 单元。假设位线BL 通过一个电阻接地，没有任何其他的激励或输入。这就是0单元中的情况（2.1(a)下图）。由于字线WL 和位线BL 之间不存在任何实际的连接，所以BL 的值为低电平而WL 得值无关。反之，当把一个高电压WL V 加在1单元的字线上时二极管导通，字线被上拉至
()WL D on V V ，结果在位线上形成了一个1。总之，在WL 和BL 之间是否存在一个二极管区
分了ROM 单元中存放的是1还是0。
2.2 NOR ROM 结构
然而，由于二极管单元的位线与字线是不隔离的，所有需要用来充电位线电容的电流必须通过字线和它的驱动器来提供，而这些电流这大容量存储器中是非常大的，因此，这一
1
(a)Diode ROM (b)MOS ROM 1
(c)MOS ROM 2
方法只适用于小存储器。一个改善隔离的方法是在单元中使用一个有源器件，如图 2.1(b)所示，其工作原理与二极管单元相同，但是它的所有输出驱动电流都是由单元中的MOS 管提供的，字线驱动器只负责充电和放电字线电容。但是，这一改进的直接代价是单元比较复杂和面积较大（额外的电源接触孔所致）。图2.2是使用这一个单元的MOS ROM 阵列。
WL [0]
V DD
WL [1]
WL [2]
WL [3]V bias
V DD
图2.1(c)是采用MOS 单元的另一种实现方法。这一单元的工作要求把位线通过电阻接到电源电压上，或者说输出的默认值必须等于1。因此，在WL 和BL 之间没有晶体管就意味着存放1。0单元通过在位线和地之间连接一个MOS 器件来实现。在字线上加一个高电压使器件导通，从而把位线下拉至GND 。图2.3是使用这一单元的MOS ROM 阵列。
WL [0]
GND
BL [0]WL [1]WL
[2]
WL [3]
V DD
BL [1]BL [2]BL [3]
GND
图2.3中4×4 NOR ROM 阵列的两种可能的版图如下：
P o l y si l i co n Me t a l 1D i f f u si on
Me t a l 1 on D i f f u si o n
Programmming using
the Contact Layer Only
这一阵列是通过在水平方向和垂直方向上重复相同的单元构成的，其中奇数单元相对水
图2.4 4×4 NOR ROM 可能的版图 触点掩模型ROM
注入掩模型ROM
平轴成镜像以便共享GND线。这两个版图的区别在于它们的编程方式。在图2.4(a)的结构中，存储器通过有选择地加入金属至扩散层的接触孔来编程。因而，连至位线的金属接触存在时就建立起一个‘0’单元，不存在时则表明为一个‘1’单元，并且在这种情况下，只用一个掩模层（即CONTACT）对存储器进行编程。而在图2.4(b)的结构中，存储器是通过按需要有选择地增加晶体管来写入的，这需要借助扩散层（制造工艺中的ACTIVE掩模）来完成。注意到。在这种情况下，所有的nMOS晶体管都已经和位线相连，从而不可通过忽略相应的漏极接点来实现在某一位置存储‘1’。而是在制造过程中通过有选择的沟道注
入将晶体管的阈值电压升高到
OH
V以上，使与存储‘1’有关的nMOS晶体管失活。即，每
个阈值电压的注入表示存储了一个‘1’，而没有注入的晶体管则相应地存储‘0’。
由于注入掩模型结构中每个金属-扩散点是由两个相邻晶体管共用的，故与触点掩模型ROM版图相比，注入掩模型ROM版图具有更高的存储密度，大约节省15%的面积。另一方面，触点掩模型（CONTACT掩模）的优点是接触层是制造过程中比较靠后的步骤。这就推迟了在工艺周期中存储器的实际编程时间。圆片可以预先完成直到CONTACT掩模前的工艺制造过程并存放起来。一旦一个具体的编程确定下来，余下的制造过程就可以很快完成，从而缩短了定货和交货的时间。总之，最终使用那一种方法取决于主要的设计指标—尺寸/性能还是交货时间。
2.3 NAND ROM 结构
我们很容易注意到，NOR ROM 的两种版图中，晶体管只占据了整个单元尺寸的很小比例，单元的大部分面积用于位线接触和接地连接。避免这一开销的一种方式是采用不同的存储结构，即NAND ROM结构，如图2.5所示。
WL[0] WL[1] WL[2] WL[3]V DD
正常操作中，被选中的字线被下来为逻辑低电平，未被选中的所有字线保持为高电平。如果一个晶体管位于被选中的行与列的交点上，则此晶体管截止，且列电压被负载元件拉到高电平。另一方面，在多输入的NAND 结构中，如果在此特定交点上无晶体管（短路），那么列电压会被其他的nMOS 晶体管拉到低电平。因此，在交点上，无晶体管则表示存储‘0’，交点处有晶体管则存储‘1’。
P o l y s i l i c o n T h r e s h o l d -a l t e r i n g i mp l a n t
M e t a l 1 o n D i f f u s i o n
(b)
NAND 结构的主要优点是它的基本单元只有一个晶体管构成，并且不需要连接任何电源电压和GND 线，这就大大缩小了单元尺寸。图2.6 为这一结构的两种版图，第一种采用METAL-1金属层来有选择地短路晶体管(a)。它使单元的尺寸比最小的NOR ROM 单元还要小约15%；同时，若再增加一道额外的注入工序，即注入n 型杂质降低阈值使器件成为一个耗尽型晶体管时，不管加上什么样的字线电压它总是导通的，因此就相当于短路；由此所得到的单元面积比等效的NOR ROM 单元小两倍多。
然而，NAND 结构的位线（列）是串联的，即位线上的存储单元是串联连接，而NOR 结构的各个存储单元互相独立。由于对两种结构的传播延时的计算，涉及内容过多并且篇幅过长，也不是本文讨论的重点之所在，在此只给出一个一般性的结论：NOR 结构通常有较快的存取时间，而NAND 的时间则较长；然而，NAND ROM 的单位面积的位密度比使用相同工艺和设计规则的NOR ROM 要高得多。
对于NAND ROM 而言，延时与对位线进行放电的串联晶体管数量的平方成正比。当串联的晶体管数超过8-16个时，这种NAND ROM 的速度将变得非常慢，所以通常将NAND ROM 分为多个小的体，而每个体中串联的晶体管的数量不超过一定的限制。然而，这种NAND 结构对于闪存(flash memory)是有利，因为对于闪存来说，密度性和成本比存取时间更重要。
2.4 小结
我们看到一个ROM 模块的编程要涉及到制造商，从而造成产品开发过程中不愿看到的延迟，所以这种方法已显得越来越不流行了；一个更合乎要求的方法是用户可以用自己的设备来编程存储器，而这也就是随后要讨论的非易失性读写存储器。
3. 非易失性读写存储器
非易失性读写存储器(Nonvolatile Read-Write Memory)的结构实际上与ROM 一样。它的存储内核是由一个放在字线/位线网格上的晶体管阵列构成的。存储器通过有选择地使其中某些器件有效或无效来进行编程；在ROM 中，这是通过掩模层的变化来完成的；而在非易失性读写存储器(NVRW)中则用结构经过修改的晶体管（浮栅晶体管）来代替。
3.1 浮栅晶体管(FAMOS)
浮栅晶体管的阈值电压可以通过电学方式来改变，改变的阈值在关断电源后仍能永久保持不变。它是目前大多数可重新编程存储器的核心器件，如图3.1所示。
从图中可以得知，浮栅晶体管的结构与通常的MOS 器件类似，但是多了一个额外的多晶硅条插在栅和沟道之间，这一多晶硅条不与任何东西连接，因而称为浮栅。插入这一额外栅最明显的影响是使栅氧层的厚度ox t 加倍，从而降低了器件的跨导并使阈值电压升高；
图2.6 4×4 MOS NAND ROM 可能的版图
(a) Device cross-section
(b) Schematic symbol
G
S
D
更为重要的是，该器件的阈值电压是可编程的。在源和栅-漏终端之间加上一个高电压
（10V 以上）可以产生一个高电场并引起电子雪崩注入。电子得到足够的能量变“热”并穿过第一层氧化物绝缘体而在浮栅上被捕获。这一现象在栅氧层厚度约为100nm 时就会发生，器件的制造相对容易（与FLOTOX 相比）。被捕获的电子有效地降低了浮栅上的电压。这个过程是自我约束的——浮栅上积累的负电荷有效地降低了氧化层中的电场；移去电压后已引起的负电荷仍留在原来的位置上，从而是中间浮栅产生一个负电压。从器件的角度看，这相当于有效地增加了阈值电压。参看图3.2。由于浮栅为极好的绝缘体所包围，所以被捕获的电荷可以在浮栅上存放许多年，即使在电源电压被移去之后也是如此。
3.2 可擦除可编程只读存储器(EPROM)
EPROM 是通过封装在一个透明窗口把紫外线(UV)照射到单元上来进行擦除的。EPROM 的存储单元采用叠栅注入MOS 管（SIMOS 管)。单元结构简单，密度高，成本低。但是，采用UV 擦除的两个主要缺点是擦除过程很慢和可靠性问题。
3.3 电擦除可编程只读存储器(EEPROM)
EEPROM 采用了一种称为FLOTOX (floating-gate tunneling oxide)晶体管浮栅器件作为可支持电擦除过程的可编程器件，如图3.5所示。它与FAMOS 器件类似，但隔离浮栅与沟道和漏端的那一小部分绝缘介质的厚度减少到大约10nm 或更少。当把一个约10V 的电压加到这一很薄的绝缘层时，电子通过隧穿机理穿入或穿出浮栅。图3.6为隧穿节的I-V 特性曲线。
这一编程的方法的主要优点在于它的可逆性，即只要在写过程中所加的电压反过来即可实现擦除。向浮栅注入电子将使阈值T V 升高，而相反的操作则降低T V 。但是这一双向工作
图3.5 FLOTOX transistor
图3.6 Fowler-Nordheim
I -V 特性-10 V
10 V
I
V GD
带来了阈值控制的问题：T V 可能低于0V ，从而有效地产生一个即使栅上施加0V 电压也不会关闭的器件。使用选择器件的原因是阈值电压很难精确地控制，因为这取决于生产过程中
的一些变化和浮栅上初始存储的电荷。如果由于初始储存的电荷使得不可能可靠地达到希望的内部电压，那么存储器单元将不能正确工作。为了避免这个问题，与FLOTOX 晶体管串联一个选择管，并连接到字线和位线。选择管使用正常的字线电平，而FLOTOX 晶体管有一个位于两个可能阈值之间的合适的栅电压，如图3.7所示。
以下是EEPROM 存储单元工作状态的分析： (1)． 读出状态
(2)． 擦除状态
(3)
．
写入状态
我们可以看到，EEPROM 单元有两个晶体管，所以比相应的EPROM 要大。此外，制造非常薄的氧化层是一个难度很大、成本很高的工艺过程，所以EEPROM 部件的成本高于EPROM ，但却只能集成较少的位数；两者的详细差异如下表示：
表3.1 EPROM 与E 2PROM 的比较
3.4 快闪电可擦除只读存储器(Flash Memory)
Flash EEPROM 的概念在1984年由Masuoka 等提出，并很快发展成为应用最普遍的非易性存储器结构。Flash EEPROM 是EPROM 和EEPROM 方法的结合，大多数Flash EEPROM 器件采用雪崩热电子注入的方法来编程器件；擦除则和EEPROM 单元一样，采用FN 隧穿(Fowler-Nordheim)来完成的。它集中了两者的优点，既具有像EPROM 一样的单管结构，又沿用了传统EPROM 热电子隧道效应的编写机制，并具有EEPROM 在线、冷电子隧道效应的擦除机制。基本存储单元尺寸比EEPROM 小10倍左右；但是，Flash EEPROM 的擦除是对整个芯片或存储器的子部分成批进行的。它是目前唯一具有大存储容量、非易失性、低价格、可在线改写和较高速度等特性的存储器。如图3.8所示。
图3.8 flash memory 的结构特性
(a)
(b)
3.4.1 Flash 存储器的基本存储单元
图3.9是Intel 推出的ETOX(EPROM Tunnel Oxide) Flash 单元，这只是现在各种Flash 单元中的一个。它与FAMOS 门相似，但是采用了一个非常薄的隧道栅氧化层（10nm ）。用栅氧的不同区域来进行编程和擦除。
Control gate
p-substrate
图3.9 用做Flash EEPROM 存储器的ETOX 器件
3.4.2
存储信息原理 (a). 擦除操作
图3.10 擦除操作
(b). 编程（写）操作
图3.11 编程(写)操作
(c). 读操作
图3.12
读操作
需要注意的是，在擦除操作的过程中，单元初始阈值电压的不同以及氧化层厚度的不同都会引起擦除操作结束时阈值电压的不同。这一点可以从两方面来弥补：(1)在应用擦除脉冲之前，将阵列中的所有单元都编程，以使所有的阈值都从大致相同的值开始；(2)在此之
后，加上一个可控制宽度的擦除脉冲。接着读整个阵列以检查这些单元是否已被擦除。如果尚未全部擦除，则再应用另一个擦除脉冲，接着又是一个读周期；如此循环，直到所有单元的阈值电压都低于所要求的电平。
另外，源极加高压擦除是利用浮栅与源区构成的小电容、分压大、场强高的原理实现的。小电容是又浮栅和源区侧向扩散区面积构成的。因侧向扩散区相对于浮栅的面积很小，所以电容也很小。之所以利用源极擦除是因为存储矩阵或部分存储矩阵单元的源极都是连接在一起的，这样可以实现整个芯片或分块快速擦除（如NOR Flash 结构）。但是，如果存储矩阵或部分存储矩阵单元的源极不是连接在一起的，则高压不是加到源极，而是加到部分存储单元或全部存储单元的公共衬底上（如NAND Flash 结构）。
3.4.3 Flash 存储器存储矩阵结构及工作原理
Flash 存储器存储矩阵结构有“或”阵列和“与”阵列两大类。前者存储单元并联，呈“或”关系，包括 OR 和NOR 两种。后者存储单元是串联，呈“与”关系，包括AND 和 NAND 两种。下面介绍最为常见的NOR 和NAND 结构的特点，并说明其编程、擦除和读出的工作原理。
(1) NOR Flash 存储单元
BL 0
BL 1
BL 7
图3.13 Flash 存储器NOR 存储结构示意
图3.13给出了2字×8位Flash 存储器NOR 结构存储矩阵示意图。WL 为字线，BL 为位线。
(a)擦除：0WL 、1WL 接地，S V 加+12V 的电压，0BL ～7BL 浮空。所有存储单元都发生FN 隧道效应，浮栅上的电子被拉回源区，即都被写成‘1’；
(b) 编程：假定要对0号单元写入( 10100010)B ，高位为7BL ，低位为0BL 。则S V 接地，
0WL 加+12V 电压，1WL 接0V 电压。同时，要使6BL 、4BL 、3BL 、2BL 、0BL 接+12V
电压，并使7BL 、5BL 、1BL 浮空。则存储单元06T 、04T 、03T 、02T 和00T 产生热电子隧道效应，使得其浮栅上充入电子，变为高开启阈值（约7V ），从而写入‘0’。而存储单元07T 、05T 和01T 不发生热电子隧道效应，保持擦除时写入‘1’信息。1号单元因1WL 接0V 电压保持原存储信息不变。
(c) 读出：假定对0号单元读出。此时，S V 接地，0BL ～7BL 被预充电至1V 左右（也可稍高一些，比如2V ）；1WL 没有被选中，接地；0WL 接+5V 电压，由于06T 、04T 、03T 、
02T 和00T 在写入的时候产生了热电子隧道效应，故而阈值电压升高为7V 左右，从而这
五个管子关断，6BL 、4BL 、3BL 、2BL 、0BL 的电压保持1V 不变；而07T 、05T 和01T 三个管子的阈值电压小于5V ，故而导通，将位线7BL 、5BL 、1BL 的电压下拉至0V ； 从而读出的数据即为写入的数据( 10100010)B 。此读出原理与NOR ROM 一致。
(2) NAND Flash 存储单元
BL 0
BL 1
BL 7
BL 2
BL 3
图3.14 Flash 存储器NAND 存储结构示意
图3.14是一个8字×8位的NAND Flash 结构的示意图；图中存储单元的源、漏串接构成存储阵列的列，各列同位置的存储单元的控制栅(control gate)并接构成存储的行。
(a)擦除：0WL ～7WL 接0V ，衬底加高电压+20V ，S V 、0BL ～7BL 浮空。浮栅上的电子通过FN 隧道效应进入衬底，实现擦除，即写入‘1’。擦除方式为整页或芯片的某一部分； (b) 编程：NAND 存储矩阵不能随机编程，只能按地址顺序编程。即从0WL 单元（行）开始，接着1WL 、2WL 、…6WL 、7WL 顺序编程。编程时，选中行加高电压+20V ，其他行加10V 的电压，衬底接地，S V 浮空；写‘0’和写‘1’的位线电压分别接+10V 和0V ；写‘1’时，位线接0V ，即所选的单元的漏极D 接0V ，控制栅为+20V ，则将产生FN 隧道效应，使浮栅上充上电子，提高其阈值电压。写‘0’时，所选单元的漏极D 接+10V 电压，控制栅为+20V ，不能产生FN 隧道效应，浮栅上没有充上电子，其阈值电压保持不变。 (c) 读出：位线预充电至2V ，S V 接地，未选中的行加+10V 电压，选中的行加+3V 电压；因此，未选中行的存储单元无论是存‘1’还是‘0’都导通，不影响被选中单元的读出。被选中单元的存‘0’单元导通，即阈值电压没有被改变的，并将位线下拉至0V 。存‘1’单
元不导通。读出时，可以顺序进行，也可以随机实现。
3.4.4 NOR单元与NAND单元的特性比较
4. 小结
一些数据或许能够帮助我们更好地理解各种不同的非易失性存储器。此外，文中所提及的结构在编程时都要求在字线和位线上有高电压信号(12-20V)，而在读模式期间，在相同字线和位线上采用的是3V或5V的标准信号。表4.1总结目前一些存储器的数据。
5. 参考书目
1．Sung-Mo Kang, Yusuf Leblebici Cmos数字集成电路—分析与设计第三版电子工业出版社
2．John P. Uyemura 超大规模集成电路与系统导论电子工业出版社
3．David A. Hodges, Horace G. Jackson, Resve A. Saleh 数字集成电路分析与设计—深亚微米工艺第三版电子工业出版社
4．Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic 数字集成电路—电路、系统与设计第二版电子工业出版社
一个完美的电表数据存储系统 华胄科技陈其龙电表作为一个计量用电量的仪器电表的精度不但与检测芯片的精度有关更重要与其存储方式有很大的关系如果检测到的电量数据不能写入存储器或者写入存储器过程出错电表的精度就大大降低 以前电表数据的存储方式有2种选择1用存储EEPROM数据2用NVRAM存储数据现在有了第三种选择用铁电存储器FRAM存储数据 在以前在设计电表电量的存储方案过程中工程师在怎样把数据准确无误的写入存储绞尽脑汁主要的原因是以前的EEPROM速度慢,有10MS写的周期擦写次数少为了解决存储器的问题工程师必须在控制电路增加很多电路见图一 由于EEPROM的擦写次数为10万次所以不能来一个脉冲就写入EEPROM只能将脉冲暂存MCU的SRAM内等脉冲计录到一定的值1度电或到了一定的时间1小时再把数据写入EEPROM正是由于电数据不能实时写入EEPROM引起一个问题如果停电怎么办在停电时MCU内存储的平均电量为0.5度,如果系统不管掉电情况,那么电表的精度很低(以10万家用户计算,每停一次电,供电局将有5万度电因存储器的原因而丢掉),这供电局当然不能接受为了解决这问题在电路上必需增加掉电检测电路在检测到掉电后把MCU中存储不到1度电的数据写入EEPROM 由于EEPROM写入数据时有10MS写的周期这也引起了一个问题在停电后必需有足够长的电压维持EEPROM写的时间设计者的一般思路是利用滤波电路的大电容由于电容内部是电解液随着时间的推移电容的容量将变小因此为了使电表能使用10年必须把增大滤波的电容的容量和提前检测到掉电 EEPROM写入数据时数据先是写入EEPROM的缓冲区当数据写入缓冲区后EEPROM 自动把数据写入EEPROM的具体地址其过程需要10MS由于EEPROM内部写入时间长所以容易受到干扰EEPROM一旦受到干扰写入的数据容易出错此时出错MCU 没有办法知道为了解决这一问题设计者必须把同一个数据写入三个不同的地址然后再把数据读出来校正图5
第13章Flash存储器 Flash存储器具有电可擦除、无需后备电源来保护数据、可在线编程、存储密度高、低功耗、成本较低等特点，这使得Flash存储器在嵌入式系统中的使用迅速增长。 本章主要以HC08系列中的GP32为例阐述Flash存储器的在线编程方法，也简要阐述了HCS08系列中GB60的在线编程方法。本章首先概述了Flash存储器的基本特点，并介绍其编程模式，随后给出M68HC908GP32的Flash存储器编程的基本操作及汇编语言和C语言的在线编程实例。最后讨论MC9S08GB60的Flash存储器编程方法。 Flash存储器编程方法有写入器模式与在线模式两种，本章讨论的是在线模式。有的芯片内部ROM中，包含了Flash擦除与写入子程序，在本章的进一步讨论中给出了调用方法，使Flash编程相对方便。有的芯片内部ROM中没有固化Flash擦除与写入子程序，只能自己编写Flash擦除与写入子程序。而编写Flash擦除与写入子程序需要较严格的规范，所以这是比较细致的工作，读者应仔细分析本章的例程，并参照例程编程。掌握了GP32芯片的Flash编程方法后，可以把此方法应用于整个系列的Flash编程。Flash在线编程对初学者有一定难度，希望通过实例分析学习。本章给出Flash在线编程的C语言实例，对于训练C语言与汇编联合编程技巧很有帮助。 13.1 Flash存储器概述与编程模式 理想的存储器应该具备存取速度快、不易失、存储密度高(单位体积存储容量大)、价格低等特点，但一般的存储器只具有这些特点中的一个或几个。近几年Flash存储器(有的译为：闪速存储器或快擦型存储器)技术趋于成熟，它结合了OTP存储器的成本优势和EEPROM的可再编程性能，是目前比较理想的存储器。Flash存储器具有电可擦除、无需后备电源来保护数据、可在线编程、存储密度高、低功耗、成本较低等特点。这些特点使得Flash存储器在嵌入式系统中获得广泛使用。从软件角度来看，Flash和EEPROM技术十分相似，主要的差别是Flash存储器一次只能擦除一个扇区，而不是EEPROM存储器的1个字节1个字节地擦除，典型的扇区大小是128B~16KB。尽管如此，因为Flash存储器的总体性价比，它还是比EEPROM更加流行，并且迅速取代了很多ROM器件。 嵌入式系统中使用Flash存储器有两种形式：一种是嵌入式处理器上集成了Flash，另一种是片外扩展Flash。 目前，许多MCU内部都集成了Flash存储器。Freescale公司在Flash存储器技术相当成熟的时候，在HC08系列单片机内集成了Flash存储器。该系列内部的Flash存储器不但可用编程器对其编程，而且可以由内部程序在线写入(编程)，给嵌入式系统设计与编程提供了方便。存储器是MCU的重要组成部分，存储器技术的发展对MCU的发展起到了极大的推动作用。对于Freescale公司新推出的HCS08系列MCU采用第三
铁电存储器原理及应用比较摘要：介绍铁电存储器（FRAM）的一般要领和基本原理，详细分析其读写操作过程及时序。将FRAM与其它存储器进行比较，分析在不同场合中各自的优缺点。最后以FM1808为例说明并行FPGA与8051系列单片机的实际接口，着重分析与使用一般SRAM的不同之处。关键词：铁电存储器 FRAM原理 8051 存储技术1 背景铁电存储技术最在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4Kb的铁电存储器FRAM产品，目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。最近几年，FRAM又有新的发展，采用了0.35μm工艺，推出了3V产品，开发出“单管单容”存储单元的FRAM，最大密度可在256Kb。2 FRAM原理FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的结构如图1所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。2．1 FRAM 存储单元结构FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图2（a）所示。2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构（未画出公共参考位）如图2（b）所示。2.2 FRAM的读/写操作FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个类峰。把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。[!--empirenews.page--]无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”（precharge）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns，加上“预充”时间60ns，一个完整的读操作时间约为130ns。图2 写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。2.3 FRAM的读写时序在FRAM读操作后必须有个“预充电”过程，来恢复数据位。增加预充电时间后，FRAM一个完整的读操作周期为130ns，如图3（a）所示。这是与SRAM和E2PROM不同的地方。图3（b）为写时序。3 FRAM与其它存储技术比较目前Ramtron公司的FRAM主要包括两大类：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM 又分I2C两线方式的FM24××系列和SPI三线方式的FM25xx系列。串行FRAM与传统的24xx、25xx型的E2PROM引脚及时序兼容，可以直接替换，如Microchip、Xicor公司的同型号产品；并行FRAM价格较高但速度快，由于存在“预充”问题，在时序上有所不同，不能和传统的
flash存储原理 一、半导体存储设备的原理 目前市面上出现了大量的便携式存储设备,这些设备大部分是以半导体芯片为存储介质的。采用半导体存储介质,可以把体积变的很小,便于携带;与硬盘之类的存储设备不同,它没有机械结构,所以也不怕碰撞;没有机械噪声;与其它存储设备相比,耗电量很小;读写速度也非常快。半导体存储设备的主要缺点就是价格和容量。 现在的半导体存储设备普遍采用了一种叫做“FLASH MEMORY”的技术。从字面上可理解为闪速存储器,它的擦写速度快是相对于EPROM而言的。FLASH MEMORY是一种非易失型存储器,因为掉电后,芯片内的数据不会丢失,所以很适合用来作电脑的外部存储设备。它采用电擦写方式、可10万次重复擦写、擦写速度快、耗电量小。 1.NOR型FLASH芯片 我们知道三极管具备导通和不导通两种状态,这两种状态可以用来表示数据0和数据1,因此利用三极管作为存储单元的三极管阵列就可作为存储设备。FLASH 技术是采用特殊的浮栅场效应管作为存储单元。这种场效应管的结构与普通场管有很大区别。它具有两个栅极,一个如普通场管栅极一样,用导线引出,称为“选择栅”;另一个则处于二氧化硅的包围之中不与任何部分相连,这个不与任何部分相连的栅极称为“浮栅”。通常情况下,浮栅不带电荷,则场效应管处于不导通状态,场效应管的漏极电平为高,则表示数据1。编程时,场效应管的漏极和选择栅都加上较高的编程电压,源极则接地。这样大量电子从源极流向漏极,形成相当大的电流,产生大量热电子,并从衬底的二氧化硅层俘获电子,由于电子的密度大,有的电子就到达了衬底与浮栅之间的二氧化硅层,这时由于选择栅加有高电压,在电场作用下,这些电子又通过二氧化硅层到达浮栅,并在浮栅上形成电子团。浮栅上的电子团即使在掉电的情况下,仍然会存留在浮栅上,所以信息能够长期保存(通常来说,这个时间可达10年。由于浮栅为负,所以选择栅为正,在存储器电路中,源极接地,所以相当于场效应管导通,漏极电平为低,即数据0被写入。擦除时,源极加上较高的编程电压,选择栅接地,漏极开
说起存储器IC的分类，大家马上想起可以分为RAM和ROM两大类。 RAM是Random Access Memory的缩写，翻译过来就是随机存取存储器，随机存取可以理解为能够高速读写。常见的RAM又可以分成SRAM(Static RAM：静态RAM)和DRAM(dynamic RAM：动态RAM)。 ROM是Read Only Memory的缩写，翻译过来就是只读存储器。常见的ROM又可分为掩膜ROM(有时直接称为ROM)、PROM(Programmable ROM：可编程ROM，特指一次编程的ROM)、EPROM(Erasable Programmable ROM：可擦除可编程的ROM，擦除时用紫外线)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM：电可擦除可编程ROM)。 以上是大家在各种教材上看到的存储器的分类。 问题是，ROM明明叫只读存储器，也就是不可写的存储器，现实是除了掩膜ROM是不可写的外，PROM、EPROM、EEPROM事实上都是可写的。它们的名称中还带有“ROM”是名不副实的叫法。掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM这几种存储器的共同特点其实是掉电后，所存储的数据不会消失，所以可以归类为非易失性存储器(即Non-Volatile Memory)。 SRAM、DRAM的共同特点是掉电后数据会丢失，所以也可称为易失性存储器(V olatile memory)。 于是，存储器从大类来分，可以分为易失性存储器和非易失性存储器。 后来出现的Flash Memory(快闪存储，简称闪存)，掉电后数据也不容易丢失，所以也属于非易失性存储器。Flash Memory的名称中已经不带ROM字样了，但是传统的分类方法中，还是把Flash Memory归类为ROM类，事实上此时是因为这些存储器都是非易失的。 把存储器分为易失性存储器和非易失性存储器就万事大吉了么？ 令人纠结的是，有一种新的存储器，它既是非易失的，同时又是能够高速随时读写数据的，也就是说能够随机存取的。这种存储器就是FRAM(Ferroelectric Random Access Memory：铁电随机存取存储器，简称铁电存储器)。把FRAM归类为非易失性存储器是可以，但是FRAM的高速读写性质又与SRAM、DRAM更为接近，它也是一种RAM。 于是，存储器的分类令人纠结。传统的分为RAM与ROM的方式本来就不科学。如果分成RAM与非易失性存储器这两大类，也不科学，因为这个分类本身就不是按同一个标准分的，导致FRAM即属于RAM，又属于非易失性存储器。如果只分成易失性存储器和非易失性存储器，又导致FRAM与SRAM、DRAM分家，大家都有RAM嘛，凭什么分开是吧。 我的建议是，存储器分成随机存取存储器和非随机存取存储器两大类比较合适。 于是，存储器的分类如下(按存取速度分类)： 1、随机存取存储器：SRAM、DRAM、FRAM； 2、非随机存取存储器：掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory。 差强人意的分类为(按易失性分类)： 1、易失性存储器：SRAM、DRAM； 2、非易失性存储器：掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory、FRAM。
湘潭大学论文 题目：关于Flash存储器的技术和发展 学院：材料与光电物理学院 专业：微电子学 学号：2010700518 姓名：李翼缚 完成日期：2014.2.24
目录 1引言 (4) 2Flash 存储器的基本工作原理 (4) 3 Flash存储器的编程机制 (5) 3.1 沟道热电子注入(CHE) (5) 3.2 F-N隧穿效应(F-NTunneling) (6) 4 Flash存储器的单元结构 (6) 5 Flash存储器的可靠性 (7) 5.1 CHE编程条件下的可靠性机制 (8) 5.2 隧道氧化层高场应力下的可靠性机制 (8) 6 Flash存储器的发展现状和未来趋势 (9) 参考文献: (10)
关于Flash存储器的技术和发展 摘要:Flash 存储器是在20世纪80年代末逐渐发展起来的一种新型半导体不挥发性存储器,它具有结构简单、高密度、低成本、高可靠性和在系统的电可擦除性等优点, 是当今半导体存储器市场中发展最为迅速的一种存储器。文章对F lash 存储器的发展历史和工作机理、单元结构与阵列结构、可靠性、世界发展的现状和未来趋势等进行了深入的探讨。 关键词:半导体存储器;不挥发性存储器; Flash存储器; ETOX结构 About Flash Memory Technology and Its Development Abstract: As a new non -volatile semiconductor memory introduced by Masuoka in 1984, flash memory has a number of advantages, such as simple structure, high integration density, low cost, and high reliability, and it is widely used in mobile phone, digital camer a, PCBIOS, DVD player, and soon. Its evolution, programming mechanism, cell structure, array structure, reliability are described, and its developing trend in the future is dis cussed. Key words: Semico nduct or memory; Flash memor y; Non-volatile memory ; ETOX
Technology Note Sept. 2007 Ramtron International Corporation 1850 Ramtron Drive, Colorado Springs, CO 80921 (800) 545-FRAM, (719) 481-7000, Fax (719) 481-7058 F-RAM Technology Brief Overview Established semiconductor memory technologies are divided into two categories: 1. RAMs are Random Access Memories, which simply means that the access time for reads and writes are symmetric. 2. Nonvolatile memories have traditionally been ROM (Read Only Memory) until the advent of floating gate technology, which produced electrically erasable memories such as Flash and EEPROM. These products allow for in-system programming but read and write access times are dissimilar. In fact, the write access times can be several orders of magnitude greater than the read access times. Ferroelectric Random Access Memory or F-RAM has attributes that make it the ideal nonvolatile memory. It is a true nonvolatile RAM. The write advantages and non-volatility make it quite suitable for storing data in the absence of power. Ferroelectric Property The ferroelectric property is a phenomena observed in a class of materials known as Perovskites. Figure 1 shows a Perovskite crystal. The atom in the center has two equal and stable low energy states. These states determine the position of the atom. If a field is applied in the proper plane, the atom will move in the direction of the field. Applying an electric field across the crystal causes the low energy state or position to be in the direction of the field and, conversely, the high energy state in the opposite position. The applied field will, therefore, cause the atom to move from the high energy state to the low energy state. This transition produces energy in the form of charge generally referred to as switch charge (Qs). Therefore, applying an alternating electric field across the crystal will cause the atom to move from the top of the crystal to the bottom and back again. Each transition will produce charge, Qs. Figure 1. Ferroelectric (Perovskite) Crystal A common misconception is that ferroelectric crystals are ferromagnetic or have similar properties. The term “ferroelectric” refers to similarity of the graph of charge plotted as a function of voltage (Figure 2) to the hysteresis loop (BH curve) of ferromagnetic materials. Ferroelectric materials switch in an electric field and are not affected by The ferroelectric material has two states, the atom at the top, which is referred to as up polarization, and the atom at the bottom, which is referred to as down polarization (Figure 3). Therefore, with a viable sensing scheme a binary memory can be produced. Figure 3. Crystal Polarization
STM32学习笔记-Flash做为存储器储存数据 说到STM32的FLSAH，我们的第一反应是用来装程序的，实际上，STM32的片内FLASH不仅用来装程序，还用来装芯片配置、芯片ID、自举程序等等。当然， FLASH 还可以用来装数据。 自己收集了一些资料，现将这些资料总结了一下，不想看的可以直接调到后面看怎么操作就可以了。 FLASH分类 根据用途，STM32片内的FLASH分成两部分：主存储块、信息块。主存储块用于存储程序，我们写的程序一般存储在这里。信息块又分成两部分：系统存储器、选项字节。系统存储器存储用于存放在系统存储器自举模式下的启动程序（BootLoader），当使用ISP方式加载程序时，就是由这个程序执行。这个区域由芯片厂写入BootLoader，然后锁死，用户是无法改变这个区域的。选项字节存储芯片的配置信息及对主存储块的保护信息。 FLASH的页面 STM32的FLASH主存储块按页组织，有的产品每页1KB，有的产品每页2KB。页面典型的用途就是用于按页擦除FLASH。从这点来看，页面有点像通用FLASH 的扇区。 STM32产品的分类 STM32根据FLASH主存储块容量、页面的不同，系统存储器的不同，分为小容量、中容量、大容量、互联型，共四类产品。 小容量产品主存储块1-32KB，每页1KB。系统存储器2KB。 中容量产品主存储块64-128KB，每页1KB。系统存储器2KB。 大容量产品主存储块256KB以上，每页2KB。系统存储器2KB。 互联型产品主存储块256KB以上，每页2KB。系统存储器18KB。 对于具体一个产品属于哪类，可以查数据手册，或根据以下简单的规则进行区分： STM32F101xx、STM32F102xx 、STM32F103xx产品，根据其主存储块容量，一定是小容量、中容量、大容量产品中的一种，STM32F105xx、STM32F107xx是互联型产品。 互联型产品与其它三类的不同之处就是BootLoader的不同，小中大容量产品的BootLoader只有2KB，只能通过USART1进行ISP，而互联型产品的BootLoader有18KB，能通过USAT1、4、CAN等多种方式进行ISP。小空量产品、中容量产品的BootLoader与大容量产品相同。 关于ISP与IAP ISP（In System Programming）在系统编程，是指直接在目标电路板上对芯片进行编程，一般需要一个自举程序（BootLoader）来执行。ISP也有叫ICP （In Circuit Programming）、在电路编程、在线编程。 IAP（In Application Programming）在应用中编程，是指最终产品出厂后，由最终用户在使用中对用
16Kbit非易失性铁电存储器（FRAM）芯片FM25C160原 理及其应用 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院周宝国The Principle of 16-Kbit Nonvolatile FRAM Chip FM25C160 and Its Application Zhou Baoguo 摘要：FM25C160是美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。它具有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。文中介绍了FM25C160的性能特点﹑管脚定义﹑内部结构和工作原理。给出了AT89C51单片机与FM25C160的接口电路图和对FM25C160的写操作流程图。 关键词：铁电存储器(FRAM)；FM25C160；SPI总线；写保护 1．概述 传统半导体存储器主要有两大体系：易失性存储器（volatile memory）和非易失性存储器（non-volatile memory）。易失性存储器主要包括静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM。非易失性存储器主要包括掩模只读存储器OTP RAM﹑可紫外线擦除可编程只读存储器EPROM﹑可电擦除可编程只读存储器EEPROM﹑可快速电擦除可现场编程的快闪存储器Flash Memory和用高能量锂电池作静态读写存储器后备电源的非易失静态读写存储器NVSRAM。 SRAM和DRAM等易失性存储器在没有电的情况下都不能保存数据。EPROM﹑EEPROM和Flash等非易失性存储器虽然在断电后仍能保存资料，但由于这类存储器均源于只读存储器（ROM）技术，因此都有不易写入的缺点。 FRAM是由美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。其核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存储器(RAM) 和非易失性存储器的特性。 铁电晶体材料的工作原理是: 当我们把电场加载到铁电晶体材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们记作逻辑0，另一个记作逻辑1。中心原子能在常温﹑没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器(FRAM)拥有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。 FM25C160是16Kbit串行FRAM，它的主要特点如下： ● 采用2048×8位存储结构； ● 读写次数高达1百亿次； ● 在温度为55℃时，10年数据保存能力； ● 无延时写入数据； ● 先进的高可靠性铁电存储方式； ● 连接方式为高速串行接口（SPI）总线方式，且具有SPI方式0和3两种 方式； ● 总线频率高达5MHz； ● 硬件上可直接取代EEPROM；
铁电存储器(FRAM)：相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。传统的主流半导体存储器可以分为两类--易失性和非易失性。易失性的存储器包括静态存储器SRAM（static random access memory)和动态存储器DRAM （dynamic random access memory)。 SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。 非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器（ROM）技术。正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM (几乎已经废止）、EEPROM和Flash。这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。 铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁--一种非易失性的RAM。 当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。 铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放置于CMOS基层之上，并置于两电极之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。
白皮书 揭开非易失性存储器知识产权的神秘面纱 为无线、模拟、微机电系统和安全应用的SoC设计选择最佳的非易失性存储器知识产权解决方案 2011年4月 作者 Craig Zajac 新思科技有限公司高级产品营销经理 概述 随着非易失性存储器（NVM）知识产权（IP）－尤其是可编程NVM IP－的使用从微控制器等传统的嵌入式flash应用扩展至无线、模拟、微机电系统（MEMS）和安全应用，一个全新的设计师群体正在集成NVM。对于这些新的用户而言，目前有多种NVM IP使用模式和解决方案，而且它们经过优化，可以满足各类应用的要求。为了选择最佳的NVM IP解决方案，设计人员必须考虑各种NVM IP规格以及它们的微妙含义和对片上系统（SoC）设计的总体影响。 诸如工作温度、电源电流、电源电压、基本时序等很多NVM IP规格对于一系列广泛的半导体产品而言是通用的，而且很容易被理解。但是，我们应正确评估更多独有规格，以防止出现针对具体应用要求的设计过度或不足，从而增加系统的成本和风险。 本白皮书将： 探讨一些将NVM IP融入到系统之中的新应用； 描述一些现有的NVM IP解决方案； 揭示NVM IP的一些独有规格，如耐擦写次数、保存时间和写干扰，并描述它们之间的关系以及它们对应用要求的影响； 为设计人员提供如何选择最佳NVM IP解决方案的指南。 定义NVM
NVM是能够在无电源情况下保存数据的存储器。它与无电源时将丢失存储内容的静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）等技术不同。NVM的主要定义如下： 多次可编程（MTP）NVM：可重复电编程1000次以上的NVM。 数次可编程（FTP）NVM：可重复电编程1000次以下的NVM。 一次性可编程（OTP）NVM：只能编程一次、不能重复编程的NVM。 嵌入式NVM：嵌入到一个单片集成电路（IC）设计之中的NVM技术，而不是整合到多个多芯片模块中的多个IC。 NVM IP：某个第三方IP提供商或代工厂授权使用的NVM技术，目的是在某项设计中实现嵌入式NVM。 其它电路中不常使用的最有用的NVM IP规格有：比特数（bit count）、耐擦写次数（endurance）、保存时间（retention）和写干扰（write disturb）： 比特数是指NVM IP的总数据存储容量，也被称为存储密度。比特数的单位是比特或字节，1字节＝8比特。 耐擦写次数是指NVM的可编程/可重复编程次数。耐擦写次数针对的是字。例如，对于一个使用32-bit 字的NVM而言，所有编程和读操作将在所有32-bit字上同时进行。如果耐擦写次数的上限是10万次编程事件，则每个32-bit字最多可编程/可重复编程10万次。为了给应用确定合理的耐擦写次数，设计人员必须考虑需要重新写入NVM IP的总次数，包括制造和生产测试期间的写入次数。 保存时间是指NVM在无需重新编程的情况下保存数据的时间，时间测量从上一次编程事件开始。某个字每次被重新编程时，保存时间规格将被重置。设计人员应考虑应用的保存时间要求以及它与其它NVM 规格的关系。本白皮书将针对这些内容进行探讨。 写干扰是指在不干扰此前所写数据的情况下，阵列中能够发生的写操作的累计次数。例如，在一个32-bit 阵列中，如果阵列中的第一个字被写入数据，则写干扰是指：能够在其余31个字上发生的、不干扰第一个字中所写数据的编程事件的累计次数。 新的NVM IP应用领域 嵌入式NVM IP过去主要用于两个应用领域：代码存储和基本微调。 独立微控制器或嵌入式处理器等代码存储应用需要高密度的NVM IP（高达几个Mbit），而且可能需要或不需要重写数据的能力。基本微调用于调节模拟性能，因此它要求应用拥有较低的比特数（低于128-bit），而且只需在工厂中编程一次。
存储器存储器 FLASH存储器存储器章FLASH 13章 第13
本章主要内容 Flash Flash存储器概述与编程模式存储器概述与编程模式存储器 MC908GP32MC908GP32单片机单片机单片机Flash Flash Flash存储器编程方法存储器编程方法存储器GP32GP32单片机单片机单片机Flash Flash Flash在线编程汇编语言实例在线编程汇编语言实例GP32GP32单片机单片机单片机Flash Flash Flash在线编程在线编程在线编程08C 08C 08C语言实例语言实例HCS08HCS08系列单片机系列单片机系列单片机Flash Flash Flash编程方法编程方法
13.1 Flash 13.1 Flash存储器概述与编程模式存储器概述与编程模式13.1.1 Flash存储器的基本特点与编程模式 (1) Flash存储器的基本特点 ①固有不挥发性：：Flash Flash存储器不需要后备电源来保持数据存储器不需要后备电源来保持数据存储器不需要后备电源来保持数据。。所以所以，，它具有磁存储器无需电能保持数据的优点它具有磁存储器无需电能保持数据的优点。。 ②易更新性易更新性:Flash :Flash :Flash存储器具有电可擦除特点存储器具有电可擦除特点存储器具有电可擦除特点。。相对于相对于EPROM(EPROM(EPROM(电可编电可编程只读存储器程只读存储器))的紫外线擦除工艺的紫外线擦除工艺，，Flash Flash存储器的电擦除功能为开发者存储器的电擦除功能为开发者节省了时间节省了时间，，也为最终用户更新存储器内容提供了可能也为最终用户更新存储器内容提供了可能。。 ③成本低成本低、、密度高密度高、、可靠性好可靠性好::与EEPROM(EEPROM(电可擦除可编程的只读存电可擦除可编程的只读存储器储器))相比较相比较，，Flash Flash存储器的成本更低存储器的成本更低存储器的成本更低、、密度更高密度更高、、可靠性更好可靠性更好。。
非易失性存储器 1. 绪论 随机存储器(如 DRAM 和 SRAM 的缺点之一就是掉电后所存储的数据会随之丢失。为了克服这个问题,人们已设计并开发出了多种非易失或 /且可编程的存储器。最近,基于浮栅概念的闪存由于其小的单元尺寸和良好的工作性能已经成为最通用的非易失存储器。因此 , 在本文中,我们将着重介绍 ROM 的两种结构(即 NOR 和 NAND 阵列和闪存的基本结构及其应用。 2. MOS ROM 阵列的两种实现方法 2.1 基本 ROM 单元 只读存储器阵列可以看做是一种简单的组合布尔逻辑,即它对每个输入组合(地址都会产生一个指定的输出值。因此, 在一个特定地址存储二进制信息, 可以通过被选行 (字线与被选列 (位线间有无数据路径 (相当于特定位置上有无元件或元件是否在标准电压下导通来实现。而实现数据路径的基本结构有两种,即 NOR 和NAND 阵列。
图 2.1 ROM 的 1和 0 单元的不同实现方式 首先,考虑最简单的单元,如图 2.1(a所示,这是一个基本的 ROM 单元。假设位线 BL 通过一个电阻接地,没有任何其他的激励或输入。这就是 0单元中的情况(2.1(a下图。由于字线 WL 和位线 BL 之间不存在任何实际的连接,所以 BL 的值为低电平而 WL 得值无关。反之,当把一个高电压 WL V 加在 1单元的字线上时二极管导通,字线被上拉至 ( WL D on V V ,结果在位线上形成了一个 1。总之,在 WL 和 BL 之间是否存在一个二极管区 分了 ROM 单元中存放的是 1还是 0。 2.2 NOR ROM 结构
然而,由于二极管单元的位线与字线是不隔离的,所有需要用来充电位线电容的电流必须通过字线和它的驱动器来提供, 而这些电流这大容量存储器中是非常大的, 因此, 这一 1 (aDiode ROM (bMOS ROM 1 (cMOS ROM 2 方法只适用于小存储器。一个改善隔离的方法是在单元中使用一个有源器件,如图 2.1(b所示, 其工作原理与二极管单元相同,但是它的所有输出驱动电流都是由单元中的 MOS 管提供的, 字线驱动器只负责充电和放电字线电容。但是, 这一改进的直接代价是单元比较复杂和面积较大(额外的电源接触孔所致。图 2.2是使用这一个单元的 MOS ROM阵列。 WL [0] V DD WL [1]
关于铁电存储器(FRAM)的常见问答 问：和其它非易失性存储器制造技术相比，铁电存储器在性能方面有什么不同吗? 答： 铁电存储器在性能方面与EEPRON和Flash相比有三点优势之处: 首先，铁电存储器的读写速度更快。与其它存储器相比，铁电存储器的写入速度要快10万次以上。读的速度同样也很快，和写操作在速度上几乎没有太大的区别。 其次，FRAM存储器可以无限次擦写，而EEPROM则只能进行100万次的擦写。最后，铁电存储器所需功耗远远低于其他非易失性存储器。 问：和其它存储器相比铁电存储器有什么不同吗？ 答： 如果要回答这个问题的话，简单了解一下存储器技术的背景资料很有必要。存储器的生产技术可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储器在断电后存储的数据 会丢失，而非易失性存储器则不然。传统的易失性存储器包括SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)。他们都源自RAM技术-随机存取存储 器技术。 RAM 的主要优点是容易使用且读写操作类似。但是传统RAM的主要缺点是其只能被用来做暂时性的存储。传统的非易性存储器技术均源自ROM技术，即只读存储器技 术。经过各种技术的改进，工程师们创造出Flash和EEPROM存储器，这些改进的存储器开始能够进行写入操作了。但是这种基于ROM技术生产的存储器 都有不易写入、写入需要特大功耗等缺点。 所以传统的基于ROM技术制造的存储器是不适应需要多次写入操作的应用领域的。而铁电存储器(FRAM)则是第一个非易失性的RAM存储器。它结合了SRAM和DRAM易写入的特性，又具有Flash和EEPROM得非易失性的特点。 问：铁电存储器怎样与其它高性能的非易失性存储器，诸如MRAM来竞争？ 答： 两者最大的区别就是产品技术和市场是否成熟。铁电存储器是从实验室研发阶段一步步发展到拥有巨大客户群的生产销售阶段的。而 MRAM和其他比较高级的存储器虽然承诺的条件和技术很好，但是在实际应用层面还面临着许多障碍，很难达到目前铁电存储器的水平，并且铁电存储器的技术还 在不断的更新和改进。所以事实上Ramtron不能将还处于实验室开发阶段的存储器产品与技术已经成熟并大量生产销售的铁电存储器相比较。
Flash闪存器总体介绍 闪存的英文名称是“Flash Memory”，一般简称为“Flash”，它属于内存器件的一种。 不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异： 目前各类DDR、SDRAM或者RDRAM都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存； 闪存则是一种不挥发性（Non-V olatile）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。 NAND闪存的存储单元则采用串行结构，存储单元的读写是以页和块为单位来进行（一页包含若干字节，若干页则组成储存块，NAND的存储块大小为8到32KB），这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，超过512MB容量的NAND 产品相当普遍，NAND 闪存的成本较低，有利于大规模普及。 NAND闪存的缺点在于读速度较慢，它的I/O 端口只有8个，比 NOR 要少多了。这区区8个I/O 端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送，速度要比NOR闪存的并行传输模式慢得多。再加NAND闪存的逻辑为电子盘模
块结构，内部不存在专门的存储控制器，一旦出现数据坏块将无法修，可靠性较NOR 闪存要差。 NAND闪存被广泛用于移动存储、数码相机、MP3播放器、掌上电脑等新兴数字设备中。由于受到数码设备强劲发展的带动， NAND 闪存一直呈现指数级的超高速增长. NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了NAND flash结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后,仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。 相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。 NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高,在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。 性能比较 flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。 由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统