SPI NOR FLASH存储器的原理与常见问题分析

1.前言

FLASH闪存，一般简称为“FLASH”，它属于内存器件的一种，是一种非易失性(Non-Volatile)内存。FLASH因其特殊的浮栅结构得以在掉电后长久地保存数据，这使得Flash成为各类便携型数字设备的存储介质。本文主要介绍了SPI NOR FLASH存储器的基本原理以及常见的问题，可以帮助读者进一步了解和应对产品中的FLASH相关问题。

2.SPI NOR FLASH存储器的原理介绍

1.FLASH的基础介绍

FLASH是使用浮栅场效应管(Floating Gate FET)作为基本存储单元来存储数据的，图一(a)的模型中可以看出，与普通的MOSFET相比，区别仅在于浮栅，FLASH就是利用浮栅中是否存储电荷来表征数字0和1的。对NPN的场效应管来说，在栅极和源极之间加一个VTH电压后，MOS管就可以导通，但如果在图示的浮栅中增加了一些电子，这些电子抵消了VTH的部分电压，原先的VTH可能就无法使MOS管导通，通过判断MOS管是否导通可以判断浮

栅当中有无电子，即可以对应状态0和1。

图一、FLASH基础单元原理

而FLASH就是由如上的存储单元组成，通常的FLASH可以按单元结构分为NOR和NAND FLASH，其主要区别在于单独存储单元的排列上，如图二所示，NOR FLASH的每个CELL之间是并联的关系，其中漏极一同连接到位线（Bit line）上，栅极接到字线（Word line）上，而NAND FLASH的每个CELL之间是串联的关系，其中源极和漏极CELL之间互连，栅极接到字线上。这部分是FLASH存储单元的结构区分。

图二、FLASH单元结构区分

如果要对FLASH内部的数据进行操作，还需要控制器去控制擦除、编程、读取的电压，根据控制器与外部通信的总线，可以分为Parallel(CFI)和SPI两种类型。并口的FLASH数据位宽大，可以满足大量数据快速读取的需求，但管脚多也反映着其占用面积大；SPI FLASH使用SPI总线通信，只需要4根线即可通信，较为便捷，适用于一些小型化的设备中。

因FLASH的内容较多，本文主要针对SPI NOR FLASH进行介绍，通过对FLASH的单元和分类的了解，对于SPI NOR FLASH的基本构成和通信总线有了初步的认识，接下来将具体介绍SPI NOR FLASH的操作原理。

2.SPI NOR FLASH擦除、编程、读取原理

SPI NOR FLASH擦除和编程都是通过在MOS管上加一定的电压，对浮栅中的电子进行移动，其中擦除采用的F-N隧穿效应，而编程采用的是热电子注入效应。

热电子注入是CELL数据写入的常见方法之一，当沟道中电场很强时，由于漏结雪崩击穿或沟道雪崩击穿增出的载流子，若在两次碰撞之间积累起的能量足以跨越Si-SiO2界面势垒（对电子注入为3.2eV，对空穴注入为4.8eV），则这些热载流子（同时若获得纵向的动量的话）就有可能注入到栅氧化层中去。通常在FLASH上的做法，是在栅极加一个高压，漏极加一定的电压，源极接地，可以沟道中的电子通过载流子碰撞引入浮栅中。其特点是工作电压要求不高，但编程电流较大，会产生较大功耗。高压mos管

F-N隧穿是CELL写入和擦除常用的方法之一，Fowler等人提出，当氧化层中电场达到10MV/cm，且氧化层厚度较小（0.01微米以下）时，电子将发生直接隧穿效应，穿过氧化层中势垒注入到浮栅。近年来出现了在多晶硅上生长Textured-Oxide，可以降低隧穿电压，即增强F-N注入。通常在FLASH上的做法是在衬底上加一个高压，漏极与源极可悬空，栅极接地，可以将浮栅极中电子吸出。其特点是工作电压较高，对外围高压工艺的要求较高。

读取的原理如上面原理介绍，在读取某个CELL的时，需要将同一位线的数据进行干扰排除，也就是说，需要不需要读取的CELL在它的漏极上呈现悬空状态，此时只需要在其栅极上加零电压即可，针对需要读取的CELL，在栅极上增加一个VTH电压，如果浮栅中存在电子，则这个CELL导通，在位线上就会产生电流，可以通过检测电流判断这个CELL是否存在电子。

3.小结

本节主要介绍了FLASH的基本存储单元的原理以及SPI NOR FLASH的擦除、编程、读取各个操作的基本原理。熟知基本原理有利于分析因为FLASH异常产生的产品问题。

3.SPI NOR FLASH常见问题分析

1.数据翻转问题

SPI NOR FLASH的擦除和编程都需要对浮栅当中的电子进行操作，在电子来回进出的过程中，可能会存在部分电子积累到了某个区域，导致长期的使用后，不再能进行擦除，或是浮栅中再难以存储电子，从而出现数据错误。通常CELL的可靠性问题都是0变1，也就是电

子从栅极逸出。NOR FLASH中出现的位翻转问题几乎无法规避，主要是要靠厂家管控，所以在选型时需要进行充分验证，执行FLASH的寿命测试规范。除了选型之外，软件还可以采取一些均衡使用的方法，比如说对经常操作的数据区块进行冗余操作，增加一些空间，避免对某些数据区块频繁操作。

2.数据写保护问题

一般SPI NOR FLASH当中都有对应的寄存器位可以实现数据的保护，这个保护指的是通过对应的寄存器配置，控制器可以限制对保护区块的擦除和写入操作，读取操作不受影响，但因为保护的寄存器一般也是非易失的浮栅极单元，也存在数据翻转问题，如果出现翻转问题或者数据操作问题，可能会导致SPI NOR FLASH的数据无法再被修改。

3.小结

本节主要介绍了SPI NOR FLASH常见的两个问题，其中数据翻转问题本身是无法避免的，但可以通过前期选型，选择工艺更为可靠的厂家，并且采用软件均衡的操作延长SPI NOR FLASH的寿命。

4.总结

本文主要介绍了SPI NOR FLASH的基本原理，从基本单元的原理介绍、SPI NOR FLASH擦除、编程及写入的原理介绍到最后的常见问题分析，可以帮助读者进一步了解FLASH的基础知识。

本文发布于:2024-09-23 10:28:41，感谢您对本站的认可！

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