Часть 2 - Как работает флэш-память?

Сердцем любой SD-карты является чип флэш-памяти. Поэтому, чтобы понять, почему качество SD-карт не всегда одинаково, нам нужно знать, как производится флэш-память и как она работает.

Эта статья является частью трех частей мини-серии о картах SD, в которой представлена подробная информация.

• Часть 1 - Как классифицировать карты SD и выбрать подходящую карту для конкретного приложения
• Часть 2 - Как работает флэш-память
• Часть 3 - Что такое оценки по карте и почему они важны

Содержание

• Почему кремний используется для создания флэш-памяти
• Производство кремниевых пластин
• Производство штампов
• Структура флэш-памяти
• Чтение и запись данных

Если вам нужен обзор или краткое напоминание по данной теме, эта информационная графика послужит вам хорошим подспорьем.

Почему кремний используется для создания флэш-памяти

Флеш-память и другие микрочипы изготавливаются из кремния, поскольку он является полупроводником. Это означает, что он проводит электричество только при определенных условиях. Кроме того, кремний - второй по распространенности элемент в земной коре.

Полупроводимость кремния позволяет производителям полностью контролировать электрические свойства материалов на основе кремния путем добавления небольшого количества примесей. В основном это бор, фосфор, мышьяк и сурьма.

Производство кремниевых пластин

Первым шагом в производстве флэш-памяти является создание кремниевого слитка. Существует несколько методов получения цилиндрического слитка. Давайте рассмотрим широко используемый метод Чохральского.

Метод Чохральского

Польский химик Ян Чохральский изобрел метод получения слитков монокристаллического кремния высокой чистоты.

Кремний расплавляется в тигле. После этого в расплав вводится затравочный кристалл. Его медленно вытягивают вверх, при этом тигель и кристалл вращаются в противоположных направлениях. В результате получается очень однородный цилиндрический слиток кремния, который также называют булем.

Нарезка

Вафельная пила нарезает бульон на пластины, которые представляют собой очень тонкие диски (толщиной около 100-500 мкм). Подложки подвергаются физической и химической полировке для удаления дефектов и примесей вплоть до атомарного уровня.

Производство штампов

Конечно, пластины пока не обладают суперспособностями. Сначала их нужно превратить в матрицы. Плашка - это просто кусок кремния, содержащий интегральную схему.

Наиболее часто используемый процесс печати интегральной схемы на пластине - это фотолитография.

Этот процесс прост для понимания, но его очень трудно выполнить с постоянным качеством из-за невероятно малого масштаба интегральных схем.

Фотолитография

Посмотрите на график ниже, на котором показана установка фотолитографии.

После отправки пластина снова очищается, чтобы удалить любые загрязнения из упаковки. Затем на нее наносится микроскопически тонкий и идеально ровный слой кремния и фоторезиста. Диафрагма, состоящая из источника света и линз, проецирует фотомаску на пластину. Большинство компаний используют высокоэнергетический ультрафиолетовый свет. После нескольких дополнительных этапов рисунок с фотомаски переносится на слой кремния, расположенный на верхней части пластины.

После этого первый слой должен быть очищен, чтобы можно было приступить к следующему слою. Фотолитографическая машина повторяет эти шаги для каждого слоя до тех пор, пока не будет готова конкретная 3D-структура флэш-памяти.

На этом этапе пластина выглядит как диск с множеством ячеек на вершине. Эти в основном квадратные ячейки - отдельные матрицы, которые в данном случае являются единичными блоками флэш-памяти.

Перед дальнейшей обработкой пластин необходимо определить качество каждой матрицы. В результате создается так называемая карта пластины, которая указывает класс каждой матрицы на пластине. В силу особенностей производственного процесса существует тенденция, что матрицы в центре работают лучше, чем матрицы у края.

Плашки, соответствующие требуемому стандарту качества, вырезаются из пластины и встраиваются в устройства флэш-памяти.

Теперь вы знаете, как производится флэш-память. Конечно, практически невозможно каждый раз получать абсолютно одинаковые результаты из-за огромного количества параметров, влияющих на производство.

Все, от материалов до машин, должно быть идеального качества, чтобы максимально увеличить количество функционирующих матриц на каждой пластине.

Структура флэш-памяти

Одна ячейка флэш-памяти может хранить 1 бит. Ячейка состоит из истока и стока, а также плавающего затвора и управляющего затвора, расположенных на кремниевой подложке.

Между управляющим затвором, плавающим затвором и кремниевой подложкой находятся оксидные слои. Они препятствуют свободному движению электронов, но при определенных обстоятельствах электроны могут туннелировать через эти слои.

Чтение и запись данных

Операции записи и чтения управляются путем подачи напряжения на ячейку флэш-памяти.

Читать

Чтобы считать сохраненный бит, исток подтягивается к земле или 0 В, а на сток и управляющий затвор подается напряжение около 3 В. Это заставляет электроны двигаться горизонтально к стоку, если плавающий затвор пуст. Это заставляет электроны двигаться горизонтально от истока к стоку, если плавающий затвор пуст. Протекание тока интерпретируется как логическая 1.

Однако если электроны задерживаются в плавающем затворе, они препятствуют протеканию тока от истока к стоку, что интерпретируется как логический 0.

Написание

Для записи логического 0 в ячейку флэш-памяти электроны должны быть захвачены в плавающий затвор. Это достигается подачей напряжения 0 В на исток, около 7 В на сток и еще более высокого напряжения - около 10 В - на управляющий затвор.

Электроны вынуждены снова двигаться горизонтально от истока к стоку, но некоторые из них туннелируют в плавающий затвор из-за более высокого напряжения. После снятия напряжения эти электроны оказываются в ловушке между двумя оксидными слоями на срок до 10 лет! Но в конце концов они выйдут из плавающего затвора, и данные будут потеряны. Поэтому следует регулярно создавать резервные копии всех важных файлов, хранящихся на флеш-накопителях.

Чтобы удалить электроны из плавающего затвора и записать логическую 1, управляющий затвор притягивается к земле или 0 В, а на исток, кремниевую подложку и сток подается напряжение около 10 В. Таким образом, электроны вытесняются из плавающего затвора.

Конечно, каждая ячейка флэш-памяти имеет ограниченное количество операций чтения и записи, пока не износится. Поэтому большинство современных систем стараются распределить данные так, чтобы ни одна ячейка не использовалась чаще других, чтобы обеспечить максимальный срок службы флэш-памяти.

Заключение

Ну а теперь, когда вы стали мастером работы с флэш-памятью, обязательно ознакомьтесь с третьей частью этой серии: Что такое оценки по карте и почему они важны?

А пока вы хотите купить SD-карту, вы можете приобрести ее у нашей родственной компании, buyzero.de.