Μέρος 2 - Πώς λειτουργεί η μνήμη flash

Πώς λειτουργεί η μνήμη flash
Σειρά καρτών SD - Μέρος 2

Η καρδιά κάθε κάρτας SD είναι το τσιπ μνήμης flash. Ως εκ τούτου, για να καταλάβουμε γιατί η ποιότητα της κάρτας SD δεν είναι πάντα η ίδια, πρέπει να γνωρίζουμε πώς κατασκευάζεται και πώς λειτουργεί η μνήμη flash.

Αυτή η ανάρτηση αποτελεί μέρος μιας μίνι σειράς τριών τμημάτων σχετικά με τις κάρτες SD με κάποιες πληροφορίες σε βάθος.

Περιεχόμενο

Αν χρειάζεστε μια επισκόπηση ή μια γρήγορη υπενθύμιση του θέματος, αυτό το γραφικό στοιχείο θα σας εξυπηρετήσει.

5 Μνήμη Flash
5 Μνήμη Flash

Γιατί το πυρίτιο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μνήμης flash

Η μνήμη flash και άλλα μικροτσίπ κατασκευάζονται από πυρίτιο, επειδή είναι ένας ημιαγωγός. Αυτό σημαίνει ότι άγει τον ηλεκτρισμό μόνο υπό ορισμένες συνθήκες. Εκτός αυτού, το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης.

Πυρίτιο
Πυρίτιο

Η ημιαγωγιμότητα του πυριτίου παρέχει στους κατασκευαστές πλήρη έλεγχο των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών με βάση το πυρίτιο με την προσθήκη μικροσκοπικών ποσοτήτων προσμίξεων. Αυτές είναι κυρίως βόριο, φώσφορος, αρσενικό και αντιμόνιο.

Παραγωγή πλακιδίων πυριτίου

Το πρώτο βήμα στην παραγωγή της μνήμης flash είναι η δημιουργία ενός πλινθίου πυριτίου. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για την παραγωγή κυλινδρικής ράβδου. Ας δούμε τη μέθοδο Czochralski που χρησιμοποιείται συνήθως.

Μέθοδος Czochralski

Ο Πολωνός χημικός Jan Czochralski εφηύρε μια μέθοδο για την παραγωγή μονοκρυσταλλικών ράβδων πυριτίου υψηλής καθαρότητας.

Μέθοδος Czochralski
Μέθοδος Czochralski

Το πυρίτιο λιώνει σε ένα χωνευτήρι. Στη συνέχεια, ένας κρύσταλλος σπόρου εισάγεται στο τήγμα. Τραβιέται αργά προς τα πάνω, ενώ το χωνευτήρι και ο κρύσταλλος περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό οδηγεί σε μια πολύ ομοιογενή κυλινδρική ράβδο πυριτίου, η οποία ονομάζεται επίσης μπουλέ.

Τεμαχισμός

Ένα πριόνι πλακιδίων τεμαχίζει το μπουλέ σε πλακίδια, τα οποία είναι πολύ λεπτοί δίσκοι (πάχους περίπου 100-500 μm). Τα πλακίδια γυαλίζονται φυσικά και χημικά για να αφαιρεθούν τυχόν ατέλειες και ακαθαρσίες σε ατομική κλίμακα.

Παραγωγή καλούπια

Φυσικά, οι γκοφρέτες δεν διαθέτουν ακόμη υπερδυνάμεις. Πρέπει πρώτα να μετατραπούν σε μήτρες. Μια μήτρα είναι απλώς ένα κομμάτι πυριτίου που περιέχει ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα.

Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη διαδικασία για την εκτύπωση του ολοκληρωμένου κυκλώματος στο πλακίδιο είναι η εξής φωτολιθογραφία.

Η διαδικασία αυτή είναι απλή στην κατανόηση, αλλά πολύ δύσκολη στην εκτέλεση με σταθερή ποιότητα, λόγω της απίστευτα μικρής κλίμακας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Φωτολιθογραφία

Ρίξτε μια ματιά στο παρακάτω γράφημα, το οποίο δείχνει τη ρύθμιση της φωτολιθογραφίας.

Φωτολιθογραφία
Ρύθμιση φωτολιθογραφίας

Η γκοφρέτα καθαρίζεται ξανά μετά την αποστολή για την απομάκρυνση τυχόν ρύπων που προέρχονται από τη συσκευασία. Στη συνέχεια, προετοιμάζεται με ένα μικροσκοπικά λεπτό και απόλυτα ομοιόμορφο στρώμα πυριτίου και φωτοανθεκτικό. Ένα άνοιγμα που αποτελείται από μια πηγή φωτός και φακούς προβάλλει τη φωτομάσκα πάνω στο πλακίδιο. Οι περισσότερες εταιρείες χρησιμοποιούν υπεριώδες φως υψηλής ενέργειας. Μετά από ορισμένα πρόσθετα βήματα το σχέδιο από τη φωτομάσκα μεταφέρεται στο στρώμα πυριτίου που βρίσκεται στην κορυφή του πλακιδίου.

Μετά από αυτό, το πρώτο στρώμα πρέπει να καθαριστεί για να μπορέσει να ξεκινήσει το επόμενο στρώμα. Η μηχανή φωτολιθογραφίας επαναλαμβάνει αυτά τα βήματα για κάθε στρώμα μέχρι να ολοκληρωθεί η συγκεκριμένη τρισδιάστατη δομή της μνήμης flash.

Σε αυτό το στάδιο το πλακίδιο μοιάζει με δίσκο με πολλά κύτταρα στην κορυφή. Αυτά τα κυρίως τετραγωνικά κελιά είναι οι μεμονωμένες μήτρες, οι οποίες στην προκειμένη περίπτωση είναι μεμονωμένες μονάδες μνήμης flash.

Πριν από την περαιτέρω επεξεργασία των πλακιδίων, πρέπει να καθοριστεί η ποιότητα κάθε πλακιδίου. Το αποτέλεσμα είναι ένας λεγόμενος χάρτης γκοφρέτας που υποδεικνύει την ποιότητα κάθε κύβλου στην γκοφρέτα. Λόγω της φύσης της διαδικασίας παραγωγής υπάρχει η τάση οι μήτρες στο κέντρο να αποδίδουν καλύτερα από τις μήτρες κοντά στην άκρη.

Οι μήτρες που πληρούν τα απαιτούμενα πρότυπα ποιότητας αποκόπτονται από το πλακίδιο και ενσωματώνονται σε συσκευές μνήμης flash.

Τώρα ξέρετε πώς παράγεται η μνήμη flash. Φυσικά, είναι σχεδόν αδύνατο να έχετε απόλυτα συνεπή αποτελέσματα κάθε φορά, λόγω του τεράστιου αριθμού παραμέτρων που επηρεάζουν την παραγωγή.

Τα πάντα, από τα υλικά μέχρι τις μηχανές, πρέπει να είναι άριστης ποιότητας για να μεγιστοποιηθεί η ποσότητα των λειτουργικών μήτρων σε κάθε πλακίδιο.

Δομή μνήμης Flash

Ένα μόνο κύτταρο μνήμης flash μπορεί να αποθηκεύσει 1 Bit. Το κύτταρο αποτελείται από μια πηγή και μια αποστράγγιση, καθώς και από μια πύλη πλωτής λειτουργίας και μια πύλη ελέγχου, όλα πάνω στο υπόστρωμα πυριτίου.

Κύτταρο μνήμης flash
Κύτταρο μνήμης flash

Υπάρχουν στρώματα οξειδίου μεταξύ της πύλης ελέγχου, της πλωτής πύλης και του υποστρώματος πυριτίου. Εμποδίζουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα, αλλά τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν από αυτά τα στρώματα υπό ορισμένες συνθήκες.

Ανάγνωση και εγγραφή δεδομένων

Οι λειτουργίες εγγραφής και ανάγνωσης ελέγχονται με την εφαρμογή τάσεων στο κύτταρο μνήμης flash.

Ανάγνωση

Για να διαβάσετε το αποθηκευμένο Bit, η πηγή τραβιέται στη γη ή στα 0V και περίπου 3V εφαρμόζονται στην αποστράγγιση και στην πύλη ελέγχου. Αυτό αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να κινηθούν οριζόντια από την πηγή προς την αποστράγγιση, εάν η πλωτή πύλη είναι κενή. Η ροή ρεύματος ερμηνεύεται ως λογικό 1.

Ωστόσο, εάν τα ηλεκτρόνια παγιδευτούν στην πλωτή πύλη, εμποδίζουν τη ροή ρεύματος από την πηγή προς την αποστράγγιση, η οποία ερμηνεύεται ως λογικό 0.

Γράφοντας

Για να γραφεί ένα λογικό 0 στο κελί μνήμης flash πρέπει να παγιδευτούν ηλεκτρόνια στην πλωτή πύλη. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή 0V στην πηγή, περίπου 7V στην αποστράγγιση και μια ακόμη υψηλότερη τάση περίπου 10V στην πύλη ελέγχου.

Τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινηθούν οριζόντια από την πηγή προς την αποστράγγιση και πάλι, αλλά κάποια από αυτά θα διοχετευθούν στην πλωτή πύλη λόγω της υψηλότερης τάσης. Μόλις αφαιρεθούν οι τάσεις, τα ηλεκτρόνια αυτά παγιδεύονται μεταξύ των δύο στρωμάτων οξειδίου για έως και 10 χρόνια! Αλλά τελικά θα βγουν με σήραγγα από την πλωτή πύλη και τα δεδομένα θα χαθούν. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να δημιουργείτε τακτικά αντίγραφα ασφαλείας όλων των σημαντικών αρχείων που βρίσκονται σε μονάδες flash.

Για να απομακρυνθούν τα ηλεκτρόνια από την πλωτή πύλη και να γραφτεί ένα λογικό 1, η πύλη ελέγχου τραβιέται στη γείωση ή στα 0V και η πηγή, το υπόστρωμα πυριτίου και η αποστράγγιση τίθενται σε τάση περίπου 10V. Με αυτόν τον τρόπο τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να απομακρυνθούν από την πλωτή πύλη.

Φυσικά, κάθε κύτταρο μνήμης flash έχει περιορισμένο αριθμό λειτουργιών ανάγνωσης και εγγραφής έως ότου φθαρεί. Ως εκ τούτου, τα περισσότερα σύγχρονα συστήματα προσπαθούν να κατανέμουν τα δεδομένα έτσι ώστε κανένα κελί να μην χρησιμοποιείται συχνότερα από άλλα, ώστε να εξασφαλίζεται η μέγιστη διάρκεια ζωής της μνήμης flash.

Αφήστε ένα σχόλιο