【Maker電子學】Flash 記憶體的原理與應用—PART6（NAND Flash）

Posted By Liang Bird on 7 月 11, 2024 in Flash 記憶體, Maker電子學, 教學文, 電子學 | 0 comments

上一回【Maker電子學】Flash 記憶體的原理與應用—PART5（NAND Flash），我們說明了 NAND Flash 的電路結構，以及它為什麼可以擁有高於 NOR Flash 甚多的密度。

這一回我們要繼續探討，NAND Flash 這樣的結構有什麼弱點、代價以及要如何克服這些問題。

NAND Flash 的讀取

（圖片來源：Bird 提供）

我們在上一回介紹過，NAND Flash 在結構上會有許多不同 word 的同一個 bit 串聯在一起；要讀取時，我們會在要讀取的 word line，也就是對應的 gate 上，加上一個叫 Vread 的電壓，然後在同一串的 bit line 的其它 gate 上，加上一個叫 Vpass 的電壓。

Flash 的每一個 bit 都是一個具有浮動閘極（floating gate）的 MOSFET，而浮動閘極裡有沒電荷，則決定了這顆 MOSFET 的臨界電壓 Vth。當這個 bit 被抹除成為 1 後，它的浮動閘極裡沒有電荷，這時候這顆 MOSFET 的臨界電壓會小於 0 V，而當這個 bit 被寫入成為 0 之後，它的浮動閘極裡就有被困的電荷，因為這些電荷會干擾控制閘極所產生的電場，使得它的臨界電壓上升。

這時它的臨界電壓就會大於 0V，我們可以利用這個特性來讀取這個 bit 的狀態：在要讀取的 bit 它的 gate 上加一個 0 V 左右的電壓，如果這個 bit 是 1，它的 Vth 就會小於 0 V，而加上 0 V 就足以使它導通；如果這個 bit 是 0，它的 Vth 就會大於 0 V，於是 0 V 就不足以使它導通，這個 0V 就稱之為 Vread；而 Vpass 則是一個可以讓 bit cell 裡的 MOFSET，不管浮動閘極裡有沒有電荷，都可以導通的電壓,，為了要讓其它的 MOSFET 都導通，這個 Vpass 要大於所有 MOSFET 的 Vth，一般來說 Vpass 都在 4-5V 左右。

於是，在一整串串連起來的 MOSFET 中，我們對於要讀取的 bit 加上 Vread，而對於其它 bit 加上 Vpass。這時整個串聯電路導通與否，取決於被加上 Vread 的那顆 MOFSET 的 Vth 是大於還是小於 Vread；如果它的 Vth 大於 Vread，那麽 Vread 就無法使它導通，這時整串 MOSFET 就不導通；如果它的 Vth 小於 Vread，那麽 Vread 就可以使它導通，這時整串 MOSFET 就會導通，我們可以藉由測量電流來知道整串 MOSFET 有沒有導通，進而知道要讀取的那個 bit 的狀態。

讀取干擾

Flash 的 bit 要被寫入時，其實是在它的 gate 上加上一個相對來說很高的電壓，讓電子藉由場致發射所引起的穿隧效應進入浮動閘極。由於場致發射需要一個相對很強的電場，寫入時加在 gate 上的電壓會高達 18-20 V，這個電壓會在 flash 的晶片上使用 charge pump 之類的電路產生。

當我們要讀取一個 bit 時，同一串電路上的其它 MOSFET 都會利用 Vpass 讓它們進入導通狀態。這個 Vread 雖然沒有像寫入時的 gate 電壓那麼高，但其實也會引起微量的穿隧效應，使微量的電子進入這些 MOSFET 的浮動閘極；重複進行讀取操作後，會使得這些被 Vpass 蹂躪過的 MOSFET 它們的 Vth 往正向移動，如果這個 bit 本來是 1，它的 Vth 很低，但因為重複讀取使它的 Vth 變高超過臨界值 0V，這時 bit 就會變成 0，導致資料錯誤。

這個現象叫做讀取干擾（read disturb），它在重複讀取時會變得很明顯，不過讀取干擾只會破壞資料的內容，不會破壞 cell 的結構，只要重新擦除 bit 的內容再寫入，資料就可以恢復正常。

溫度的影響

MOSFET 的 Vth 會受溫度變化影響。當溫度上升，Vth 會降低；反之如果溫度降低，Vth 則會上升，其變化的幅度大概在 -1.5mV/°C 左右，因此從室溫 25°C 上升到 70°C時，Vth 會降低 70mV 左右，使得讀取時的 margin 減小。

因此 flash 晶片在設計上都會需要偵測溫度，並隨著溫度來改變讀取時的 Vth 電壓。

區塊讀取

由於每次讀取都會造成大量的讀取干擾，NAND Flash 跟 NOR Flash 比較起來，相對沒有那麼穩定與可靠，因此 NAND Flash 在晶片層級的設計上多半會引入錯誤檢查、錯誤校正等機制，也就是利用額外的容量來儲存部分的 redunent 資訊，藉以修正一定程度的錯誤，這個機制叫做 ECC - error checking and correction。

絕大多數的 ECC 演算法都是以區塊為單位來計算，因此 NAND Flash 需要讀取一整個區塊、進行 ECC 的計算與校正後，才能把資料往外送，所以絕大多數的 NAND Flash 都將介面設計成一次讀取一個 block 的形式，而 block 的大小則在 512 bytes 到 1K bytes 不等。

這也就是為什麼我們常常聽到「NAND Flash 不能隨機存取，因此不能直接在它上面執行程式」的原因，有些 NAND Flash 的介面設計讓它可以逐個 byte 定址，則是在晶片上利用一塊緩衝區暫存整個 block 的資料，達到逐個 byte 讀取的功能。

小結

這一回我們說明了 NAND Flash 讀取干擾（read dusturb）的形成原因，以及它對資料可能造成的影響。我們也說明了為什麼 NAND Flash 一般都只能整個區塊整個區塊的讀取。

下一回我們要開始進入實際的應用，來看看各種 Flash 的晶片要如何操作。

（責任編輯：賴佩萱）