Część 2 - Jak działa pamięć flash?

Przez Nathan Busler | kwiecień 8, 2022

Sercem każdej karty SD jest układ pamięci flash. Dlatego, aby zrozumieć, dlaczego jakość kart SD nie zawsze jest taka sama, musimy wiedzieć, jak produkowana jest pamięć flash i jak ona działa.

Ten post jest częścią trzyczęściowej mini-serii o kartach SD i zawiera kilka szczegółowych informacji.

Część 1 - Jak sklasyfikować karty SD i wybrać właściwą kartę do danego zastosowania
Część 2 - Jak działa pamięć flash
Część 3 - Czym są oceny kart i dlaczego są ważne?

Treść

Dlaczego krzem jest używany do tworzenia pamięci flash
Produkcja płytek krzemowych
Produkcja matryc
Struktura pamięci flash
Odczyt i zapis danych

Jeśli potrzebujesz przeglądu lub szybkiego przypomnienia tego tematu, ta grafika informacyjna powinna Ci dobrze służyć.

Infografika dotycząca kart SD i pamięci flash — 5 Pamięć flash

Dlaczego krzem jest używany do tworzenia pamięci flash

Pamięć flash i inne mikroukłady są wykonane z krzemu, ponieważ jest on półprzewodnikiem. Oznacza to, że przewodzi on prąd elektryczny tylko w określonych warunkach. Ponadto krzem jest drugim pod względem liczebności pierwiastkiem występującym w skorupie ziemskiej.

Półprzewodnikowość krzemu umożliwia producentom pełną kontrolę nad właściwościami elektrycznymi materiałów krzemowych poprzez dodawanie niewielkich ilości zanieczyszczeń. Są to głównie bor, fosfor, arsen i antymon.

Produkcja płytek krzemowych

Pierwszym krokiem w produkcji pamięci flash jest wytworzenie wlewka krzemowego. Istnieje kilka metod uzyskiwania wlewka cylindrycznego. Przyjrzyjmy się powszechnie stosowanej metodzie Czochralskiego.

Metoda Czochralskiego

Polski chemik Jan Czochralski wynalazł metodę produkcji monokrystalicznych wlewek krzemu o wysokiej czystości.

Krzem topi się w tyglu. Następnie do stopionego krzemu wprowadza się kryształ nasienny. Jest on powoli wyciągany do góry, podczas gdy tygiel i kryształ obracają się w przeciwnych kierunkach. W ten sposób powstaje bardzo jednorodny, cylindryczny wlewek krzemu, nazywany również bulą.

Krojenie

Piła waflowa tnie bulle na wafle, które są bardzo cienkimi dyskami (o grubości około 100-500 μm). Wafle są polerowane fizycznie i chemicznie w celu usunięcia wszelkich defektów i zanieczyszczeń do skali atomowej.

Produkcja matryc

Oczywiście płytki nie mają jeszcze żadnych super mocy. Najpierw trzeba je zamienić w matryce. Matryca to po prostu kawałek krzemu zawierający układ scalony.

Najczęściej stosowanym procesem drukowania układu scalonego na płytce jest fotolitografia.

Proces ten jest prosty do zrozumienia, ale bardzo trudny do wykonania z zachowaniem stałej jakości ze względu na niewiarygodnie małą skalę układów scalonych.

Fotolitografia

Spójrz na poniższą grafikę, która przedstawia konfigurację Fotolitografii.

Po wysyłce płytka jest ponownie czyszczona w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń pochodzących z opakowania. Następnie jest gruntowana mikroskopijnie cienką i idealnie równą warstwą krzemu i fotorezystu. Apertura składająca się ze źródła światła i soczewek rzutuje fotomaskę na płytkę. Większość firm stosuje światło UV o wysokiej energii. Po wykonaniu kilku dodatkowych czynności wzór z fotomaski jest przenoszony na warstwę krzemu znajdującą się na płytce.

Następnie pierwsza warstwa musi zostać oczyszczona, aby można było rozpocząć pracę z następną warstwą. Maszyna fotolitograficzna powtarza te czynności dla każdej warstwy, aż do uzyskania określonej struktury 3D pamięci flash.

Na tym etapie wafel wygląda jak dysk z dużą liczbą komórek na wierzchu. Te w większości kwadratowe komórki to poszczególne matryce, które w tym przypadku są pojedynczymi jednostkami pamięci flash.

Zanim płytki będą mogły być dalej przetwarzane, należy określić jakość każdej matrycy. W rezultacie powstaje tak zwana mapa płytki (ang. wafer map), która wskazuje klasę każdej matrycy na płytce. Ze względu na specyfikę procesu produkcyjnego istnieje tendencja, że matryce znajdujące się w centrum mają lepsze parametry niż matryce znajdujące się blisko krawędzi.

Matryce, które spełniają wymagane standardy jakościowe, są wycinane z płytki i wbudowywane w urządzenia pamięci flash.

Teraz już wiesz, jak produkowana jest pamięć flash. Oczywiście uzyskanie idealnie spójnych wyników za każdym razem jest prawie niemożliwe ze względu na ogromną liczbę parametrów, które wpływają na proces produkcji.

Wszystkie elementy, od materiałów po maszyny, muszą być doskonałej jakości, aby zmaksymalizować liczbę funkcjonujących matryc na każdej płytce.

Struktura pamięci flash

W jednej komórce pamięci flash można zapisać 1 bit. Komórka składa się ze źródła i drenu, a także bramki pływającej i bramki sterującej, umieszczonych na podłożu krzemowym.

Pomiędzy bramką sterującą, bramką pływającą i podłożem krzemowym znajdują się warstwy tlenków. Zapobiegają one swobodnemu przemieszczaniu się elektronów, ale w pewnych okolicznościach elektrony mogą tunelować przez te warstwy.

Odczyt i zapis danych

Operacje zapisu i odczytu są kontrolowane przez przyłożenie napięcia do komórki pamięci flash.

Czytanie

Aby odczytać zapisany Bit, źródło jest podciągane do masy lub 0V, a do drenu i bramki sterującej przykładane jest napięcie około 3V. Zmusza to elektrony do poziomego ruchu od źródła do drenu, jeśli bramka pływająca jest pusta. Przepływ prądu jest interpretowany jako logiczna 1.

Jeśli jednak elektrony zostaną uwięzione w pływającej bramce, uniemożliwiają przepływ prądu od źródła do drenu, co jest interpretowane jako logiczne 0.

Pisanie

Aby zapisać logiczne 0 w komórce pamięci flash, elektrony muszą zostać uwięzione w bramce pływającej. Osiąga się to przez podanie napięcia 0 V na źródło, około 7 V na dren i jeszcze wyższego napięcia około 10 V na bramkę sterującą.

Elektrony są zmuszone do ponownego przemieszczania się w poziomie od źródła do drenu, ale niektóre z nich tunelują do pływającej bramki z powodu wyższego napięcia. Po zdjęciu napięcia elektrony te są uwięzione między dwiema warstwami tlenku nawet przez 10 lat! W końcu jednak tunelują poza bramkę pływającą i dane zostają utracone. Dlatego należy regularnie wykonywać kopie zapasowe ważnych plików znajdujących się na dyskach flash.

Aby usunąć elektrony z bramki pływającej i zapisać logiczną 1, bramka sterująca jest podciągana do masy lub do napięcia 0 V, a źródło, podłoże krzemowe i dren są obciążane napięciem około 10 V. W ten sposób elektrony są wypychane z bramki pływającej. W ten sposób elektrony są wypychane z bramki pływającej.

Oczywiście każda komórka pamięci flash ma ograniczoną liczbę operacji odczytu i zapisu, dopóki się nie zużyje. Dlatego większość nowoczesnych systemów stara się tak rozdzielać dane, aby żadna komórka nie była używana częściej niż inne, co zapewnia maksymalną żywotność pamięci flash.