第五章 NAND闪存—闪存的基本原理

5.1.1 闪存的存储单元

        基本存储单元——类NMOS浮栅晶体管，在源级和漏极之间电流单向传导的半导体上形成存储电子的浮栅。

        用浮栅里面有无电子，表示0/1。一般，0代表有电子，有数据；1代表无电子，无数据；

        写是在控制极施加一个大电压，让电子通过隧道氧化层，进入浮栅极；

        擦是在衬底加正电压，把电子从浮栅极吸出来。

为什么闪存可以存储数据？

        因为闪存的存储结构决定，因为浮栅极里面的电子被上下两个绝缘层（上面的氧化层和下面的隧道氧化层）所包围，即使掉电，电子也不会跑出来，所以闪存被作为非易失存储器存储数据。

闪存写的时候为什么要擦除？

        设存储单元在写之前是0，有电子，想把该位从0变成1，是不能通过往里面注入更多的电子达到这个目的，只能通过擦除动作实现。

5.1.2 闪存类型

        是将存储单元中电子数量的状态划分的更细来存储更多的数据的。

1. 比如SLC，使用0~10个电子表示1,51~100表示0；
2. MLC，就可以用0~5个电子表示11，20~40个电子表示10，50~70个电子01，80~100个电子表示10。MLC存储两位数据，在存储组织上，低位数据和高位数据会存在不同的物理页上，低位数据所在的物理页称LP，高位数据所在的物理页称UP。

        随着存储状态的增多，数据对电子流失会越来越敏感：对于SLC即使表示0状态的51~100电子丢到20个电子，那么也不会进入0~51的1状态；但是MLC如果同样流失20个电子，就有可能从00，变成01状态，在读LP的时候就会读错。

5.1.3 闪存的组织结构

        组成递进关系：存储单元—>闪存页—>闪存块—>Plane—>DIE/LUN

1. 一个闪存块由m条字线和n条位线组成
2. 一个字线包含的闪存页取决于每个存储单元存储的数据位数，SLC一个字线包含1一个闪存页，TLC一个字线包含3个闪存页
3. 假设SLC闪存块有1024个闪存页，字线m=1024。位线的个数取决于一个闪存页有多少位，对于一个16KB的闪存页面来说，位线n=16*1024*8

一个闪存块的所有存储单元共用一个衬底，所以擦除的基本单位是闪存块。读写的单位是闪存页。

5.1.4 擦除、读、写

怎么擦除？怎么确保擦除干净了？

        擦除是在衬底加高电压，控制极加0V电压。闪存内部存在验证过程，读这些存储单元，查看是否在擦除状态，已经在擦除状态的话就结束擦除动作，不是就增加衬底的电压，继续擦除。允许擦除不干净的存储单元的个数取决于厂商的闪存参数。

怎么写入闪存页？

        衬底加0V电压，闪存页对应的控制极加高电压VPRPG，在其他不编程的闪存页的控制极施加一个稍微大的电压VPASS，从而保证当前存储单元是什么状态，这些晶体管都是导通的。

什么是抑制编程？怎么实现？

        有个事需要注意下，因为我们在闪存页的控制极统一加了一个较高的编程电压VPRPG，但是有一些需要写1的存储单元，因为在写之前的擦除动作后该存储单元已经是1，所以说其实是无需编程的，否则可能会导致额外的电子进入存储单元。

        对于这个问题采用抑制编程的手段解决：在不需要编程的存储单元对应的位线上施加一个高电压VINH来削弱控制极和衬底之间的电场。

怎么读取闪存页？

1. 在不读取的其他字线的控制极施加一个VPASS电压，确保晶体管无论处于何种状态都是导通的；
2. 然后给每个字线充电；
3. 接着在字线上根据闪存类型的不同施加不同的读参考电压：如果某个位线放电了，说明该位线所读的存储单元是导通的；如果位线继续保持之前的充电状态，说明该位线上所读的存储单元是截止的。

读操作对闪存的寿命是否影响？

        读操作本身不会对闪存的寿命造成影响，只会影响数据的可靠性（VPASS可能会对其他字线上的存储单元造成轻微编程），但为了解决读干扰的问题，闪存固件算法会引入刷新操作会造成额外的写入，带来写放大，这样就会对闪存的寿命造成影响。