NAND和NOR Flash 完全学习笔记（基础篇）

本文要点：1. NAND FLASH与NOR FLASH 的技术对比；2. 最详细的存储单元对比详解；3. NAND FLASH与NOR FLASH 的最新市场份额及应用；4. NAND FLASH与NOR FLASH 的基础原理分析。

目前，NOR FLASH和NAND FLASH是市场上主要的非易失性闪存技术，但是据我了解，还是有很多工程师分不清NAND FLASH与NOR FLASH。首先，来一个直观的图片。

然后，我从权威的网站上找到了最新的NAND FLASH收益以及市场份额表，根据最新的表单，我们可以知道谁是这个市场的老大，做的比较好一些，一方面让工程师时刻知道市场的动向，另一方面可以在之后的器件选型等方面提供重要的参考。

一般来说，快闪记忆体可分为两大规格，一个是NAND, 一个是NOR。简单来说，NAND一般以存储数据为主，晶片容量大，容量可以达到2Gb甚至更大，NAND的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价；NOR一般以存储程序代码为主，又称为Code Flash，所以可让微处理器直接读取，但晶片容量较低，主流容量512Mb，NOR采用内存的随机读取技术。如果利用闪存只是用来存储少量的代码，这是NOR Flash更合适一些。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此很多使用NAND Flash的Demo Board除了使用NAND Flash以外，还加上一块小的NOR Flash来运行启动代码。通过下表我比较了几乎所有关于NAND FLASH以及NOR FLASH的全部重要特性。

然后，对于Flash三个重要概念的理解：

1. Flash属于非易失性存储设备，内部存储单元是MOSFET，里面有一个悬浮门(Floating Gate), 是存储数据的单元。与此对应的，易失性存储设备就是断电后，数据就丢失了，例如常用的内存，不论是之前的SDRAM，还是现在通用的DDR3以及DDR4，都是断电后，数据就没有了。

2. SLC和MLC的区别：NAND FLASH的内存单元可以分为两类，存储一位数据，也就是SLC(Single Level Cell); 对应的，存储多位数据的就是MLC(Multi Level Cell)，比如两位，或者四位。

3. 大多数的写入操作需要先进行擦除操作。

到此，对于NAND FLASH以及NOR FLASH 我们有了一个基本的认识。我对知识的学习一个重要的方法是对比，通过图表的对比更能看出各自的差异化，从而达到加深知识的效果，因此我做了下图来比较目前还算所有存储器的最小单元结构图，便于学习与理解。

原理分析 要说明此原理，需要一些基本的量子物理学，我认为以下这种论述是比较适合理解的，也很有趣：经典物理学认为，物体越过势垒，有一定的阈值能量；所以，粒子能量小于此阈值能量的不能越过，能量大于此阈值能量的可以越过。举例来说，我们骑自行车过坡道，如果先用力骑，因此有一定初入能量，坡道不高的话，即使不蹬自行车也可以依靠惯性过去；但是，如果坡道很高，不蹬自行车，可能车到了一半，可能就退回来了。而量子力学则认为，即便是粒子能量小于阈值能量，同时很多粒子冲向势垒，虽然也有一部分粒子会反弹，但是还会有一些粒子可以越过去，好像有一个隧道，因此称为量子隧道。

对比二者的差异发现，宏观上的确定性在微观上常常就具有不确定性。因为隧穿几率极小，因此通常情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，但是某些特殊条件下也会出现。当微电子器件进一步微型化是必须要考虑量子效应。NAND FLASH的擦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）；另外，NOR FLASH擦除数据也是基于隧道效应（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）。对于FLASH闪存单元来说，它是为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。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。举个栗子，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，除非你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。

绝缘浮置栅极是NAND存储数据的核心

3D NAND与2D NAND结构详解

3D NAND是memory的一种十分重要的产品，全球知名的存储厂商必备的技术支撑，详见文章：

《3D NAND介绍》

NAND分为2D和3D,有了2D NAND，为什么要升级到3D呢？

2D NAND与3D NAND的存储单元的结构对比

如图：

在2D NAND结构中：

控制栅（Control Gate）：位于顶部，控制下面的浮动栅。通过控制栅的电压，可以控制电子是否可以进入或从浮动栅中离开。

浮动栅（Floating Gate）：位于控制栅下方，被绝缘层包裹，用于存储电子。电子流入或从浮动栅中离开来表示数据的1和0。

Single-Si Channel：这是连接源极（S）和漏极（D）的硅沟道。电子通过这个通道从源极流向漏极，根据浮动栅的电荷状态来控制这个流动，从而读取存储的信息。

而对于3D NAND，

控制栅（Control Gate）：3D NAND的控制栅是环绕着存储柱的立体结构。

Poly-Si Channel：与2D NAND的单晶硅通道不同，3D NAND中的通道是垂直构建的，并由多晶硅材料构成，形成一个立体的存储柱。

氮化硅（Nitride）：3D NAND使用电荷陷阱存储电子。电子被存储在氮化硅中，氮化硅是包裹在多晶硅沟道周围，代替了2D NAND中的浮动栅。这种电荷陷阱层使NAND具有非易失性的数据存储能力。

我们再进一步解剖3D-NAND的结构， 如图：

Silicon wafer base layer：这是3D NAND结构的基础，即硅片。

Silicon bit cell gates：是控制电子流动的门结构，它们决定了是否允许电子进入或离开Silicon channel，从而实现数据的存储和读取。

Silicon dioxide gate dielectric：位于控制栅和Silicon channel之间的绝缘层，其功能是保持控制栅和Silicon channel之间的电气隔离。

Silicon channel：其内部流动的电子被控制栅的电压控制，用以存储信息。

Silicon dioxide tunnel dielectric：它使电子在写入操作中通过隧道效应流入到Silicon nitride charge trap，以及在擦除操作中从Silicon nitride charge trap中移除。

3D NAND的优势？

3D NAND的结构极大地提高了存储密度，并减少了晶体管间的干扰，从而提高了数据的读写速度，减少了功耗，延长了使用寿命。

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