FLASH器件特性 FLASH操作的电路原理详解

1.FLASH器件特性

Flash 分为 NAND flash和 NOR flash。均是使用浮栅场效应管(FloatingGate FET) 作为基本存储单元来存储数据的，浮栅场效应管共有4个端电极，分别是源（Source）、漏（Drain）、控制栅（ControlGate）和浮栅（FloatingGate）。 Flash 器件与普通MOS管的主要区别在于浮栅，Flash 器件通过浮栅注入和释放电荷表征“0” 和 “1”。当向浮栅注入电荷后，读出 “0”；（Program（注入电荷））。当浮栅中没有电荷时，读出 “1”；（Erase（释放电荷） ）

FLASH 器件栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，倒入水后水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出。通常用 DataRetention ：数据保持力，衡量FLASH存储单元保存电荷的能力。

2. FLASH操作的电路原理-读

以 NOR FLASH 为例。通常 FLASH 会将 Vread 读参考电压设置在， Program （写）和 Erase（擦除）两种操作，对应的阈值电压 Vtp 和 Vte 之间。（否则会影响浮栅内电荷的稳定性）。

NOR FLASH 非门逻辑，Floating Gate 中有电荷时读出“0”，无电荷时读出“1”。一旦 FG 放置了电子，当在CG上施加正电压时，它部分取消了加在CG上电压带来的电场影响，这样晶体管导通需要在CG上放置更高的电压。即当浮栅门积累或存储的电子逐渐增多，门级阈值电压 VT 就会相应的升高，因为需要更高的电压克服浮栅内电子的影响才能使MOS导通。

假如在FG上没有电子时，CG上放置电压 Vt1 时导通，在FG上放置电子后，CG上需要放置电压Vt2导通，满足Vt2 >  Vt1。为了读出cell的值，在CG上放置一个电压V（Vread），要求Vt1 < V 。<>

如果晶体管导通（代表数值1），即DS间能读到电流，那么FG上肯定没有电子，即逻辑“ 1 ”。

如果晶体管不导通（代表数值0） ，即DS间不能读到电流，那么FG上肯定放置有电子，即逻辑“ 0 ”。

3. FLASH操作的电路原理-写和擦

NAND型：擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。

NOR型：擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极，这种方法效率较低，因此 NOR FLASH写速率较低）。

以 NOR FLASH 为例。写操作时，通常在门极施加高压( ~如10V ) ，同时漏源之间施加偏置电压 Vds，电子从源极向漏极流动。当Vds逐渐升高，电子也逐渐加速，变成热电子，和漏端的晶格碰撞后，一小部分被散射，穿过氧化物绝缘层(SiO2)，最终被浮栅门吸收和保存。

当浮栅门积累的电子足够多，存储单元的状态就由 Erased(data=1) 变成 Programmed(data=0) 。外电场撤掉之后，电子被困在浮栅门，Programmed状态因而得以保持 。

同样 以 NOR FLASH 为例。擦操作时，要让FLASH的状态由 Programmed 变成 Erased, 需要执行写的逆操作，把浮栅门保存的电子排出来 。其中常用的做法是在门极施加较大的负压( ~ 如-8V )  ，同时在源极施加正电压( ~如5V ) ，这时在FN隧道效应 (FowlerNordheimTunneling) 的作用下，浮栅门里的电子能翻越氧化物绝缘层的势垒，返回到N型的源端。 

4. FLASH 丢参的电学原理

我们有时候会发现一些 FLASH 出现存储单元丢参的情况，从FLASH 器件的特性和电路原理上看。假设给FLASH一个干扰，存储单元的内容，由 “1” 变 “0” 容易，还是 “0”  变  “1” 容易呢？

很明显， “0”  变  “1” 更加容易。因为 0 变 1 是擦除，擦除放电，电荷自己是会出现越来越少的情况，但一般不会越来越多，除非给一个强能量克服氧化物绝缘层的作用。即电荷是可以在外部干扰的作用下减少，减少到一定程度，存储单元的内容就从“0”变成了“1”。

这也是为啥空片的 FLASH 不用担心干扰问题，其电学原理是一致的，没写的cell（存储单元）是 “1” 状态也就是我们常见的全 FF ，写入的 cell 是program “0” 状态，干扰都是从 “0”  往 “1” 的方向干扰的，不可能把 “1” 干扰成program  “0” 状态（电荷不会自己越来越多），因此空片的FLASH基本不用担心外部干扰问题。

常见的外部干扰有：供电电压波动不稳、外部强磁场、强辐射等能够导致电荷释放的场景。常见的电荷泄漏就是存储单元的电荷由于某种原因逐渐流失，最终导致位反转。

（1）电荷自然流失：速度非常慢，一般是每周或者每月流失个位数的电子（如SLCNAND的数据保存时间一般是10年（25C，<5000P/E cycles) ）。

（2）外界温度：温度上升，电荷自然流失的速度会加快 。

（3）错误操作：反复擦写次数很高的情况下（例如：>10KP/E cycles）（反复擦写会导致绝缘层晶格受损，也会导致电荷流失速度加快）。

（4）外界电场/磁场干扰：电场改变导致电子加速流失。

5. FLASH 丢参的相关案例1

案例1：产品 A 灰测时，发现 电量较低时 产品不播语音问题。经过进一步分析，确认为FLASH音频文件被改写了，导致播放音频时获取文件失败，不播放语音。对FLASH文件进行回读后，对比如下：

对比烧录文件 和 FLASH 问题片子，发现 问题 FLASH 片每个 cell 里面每个 bit 随机出现 “0” 变 “1” 的情况，并且有大片数据不稳定的表现。存储扇区部分字节由 “0” 异变到 “1” ，在很多情况下如电子的自然流失是有一定概率出现的，但是大片出现异变，很明显受到外部因素的影响，最常见的为供电电压波动带来的电场干扰。

进一步排查供电电源不稳的原因，确认确实会出现该问题，我们使用一次性干电池（锂-亚硫酰氯）。其发生低电时，震动电池，会使得电池内部残余的电解液在外力作用下震荡到炭包内部，提供短时间的电化学反应可能，但是毕竟被吸附的很少，当这部分电解液也被消耗之后，电池马上恢复至无电状态。

即出现低电时电池的电压低于 FLASH 最低供电电压2.7V（2.7-3.6V），但系统（BLE）还能正常工作，FLASH掉电不完全。震动电池时电压又瞬间恢复到3.0V以上，FLASH未掉电完全后上电。这样的供电环境下压测操作FLASH，容易复现问题。

6. FLASH 丢参的相关案例2

案例2：产品路测时发现核心参数区参数丢失，但自己写入的参数都正常的问题，确认参数丢失区都是 “1” 异变到 “0”。

为 “0”表示自己主动写过，且浮栅内有电子，根据前面的分析可知电子自己不会越来越多。FLASH写 “0” 时需要给 浮栅场效应管 提供较大能量，使电子加速穿过氧化物绝缘层(SiO2)，进入浮栅门，并被困住。因此此种情况基本排除是由于硬件的外部干扰导致发生 “1” 变 “0”。后期排查软件，确认是野指针导致参数存储区发生踩踏行为。

7. 结语

我们可以通过FLASH器件的特性来分析 FLASH cell 内容出现丢失问题的原因，同时确认外部工作环境的影响用于指导设计。

审核编辑：汤梓红