第2部分 - 闪存是如何工作的

闪存是如何工作的
SD卡系列 - 第二部分

任何SD卡的核心是闪存芯片。因此,为了理解为什么SD卡的质量并不总是相同,我们需要知道闪存是如何制造的,以及它是如何工作的。

这篇文章是关于SD卡的三部分迷你系列的一部分,有一些深入的信息。

内容

如果你需要对该主题进行概述或快速提醒,这个信息图应该可以为你提供帮助。

5 闪存
5 闪存

为什么使用硅来制造闪存

闪存和其他微芯片是由硅制成的,因为它是一种半导体。这意味着它只有在特定条件下才会导电。除此之外,硅是地壳中第二丰富的元素。

硅胶
硅胶

硅的半导电性使制造商可以通过添加极少量的杂质来完全控制硅基材料的电性能。这些大多是硼、磷、砷和锑。

硅片生产

生产闪存的第一步是制造一个硅锭。有几种方法可以获得一个圆柱形的硅锭。让我们看一下常用的Czochralski方法。

Czochralski方法

波兰化学家Jan Czochralski发明了一种生产高纯度单晶硅锭的方法。

Czochralski方法
Czochralski方法

硅在一个坩埚中被熔化。之后,一个种子晶体被引入熔体中。它被慢慢往上拉,而坩埚和晶体以相反的方向旋转。这导致了一个非常均匀的圆柱形硅锭,这也被称为球状。

切片

晶圆锯将球状物切成晶圆,这是非常薄的圆片(大约100-500微米厚)。晶片经过物理和化学抛光,以去除任何缺陷和杂质,直至原子级别。

模具的生产

当然,晶圆还不具备超能力。它们首先必须变成芯片。芯片只是一块包含集成电路的硅片。

在晶圆上印刷集成电路最常用的工艺是 照相术.

这个过程简单易懂,但由于集成电路的规模非常小,因此很难以稳定的质量来执行。

照片摄影

请看下面的图形,它显示了摄影术的设置。

照片摄影
照相术设置

晶片在运输后再次被清洗,以去除来自包装的任何污染物。然后,它被涂上一层极薄且完全均匀的硅和光刻胶。一个由光源和透镜组成的光圈将光罩投射到晶圆上。大多数公司使用高能量的紫外光。经过一些额外的步骤,光罩上的图案被转移到晶圆顶部的硅层上。

之后,必须对第一层进行清洁,以便能够开始下一层的工作。光刻机对每一层都重复这些步骤,直到完成闪存的特定三维结构。

在这个阶段,晶圆看起来像一个圆盘,上面有很多单元。这些大多是四边形的单元是单独的模具,在这种情况下,它们是闪存的单个单元。

在对晶圆进行进一步加工之前,需要确定每个晶粒的质量。其结果是一个所谓的晶圆图,表明晶圆上每个晶粒的等级。由于生产过程的性质,有一种趋势,即中心的芯片比靠近边缘的芯片表现更好。

达到所需质量标准的模具被从晶圆上切割下来,并被内置到闪存设备中。

现在你知道闪存是如何生产的了。当然,由于影响生产的参数太多,几乎不可能每次都有完全一致的结果。

从材料到机器的一切都必须具有完美的质量,以最大限度地提高每个晶圆上的有效模具数量。

闪存结构

一个闪存单元可以存储1比特。该单元由一个源极和一个漏极以及一个浮动门和一个控制门组成,都在硅衬底的顶部。

闪存单元
闪存单元

在控制门、浮动门和硅衬底之间有氧化层。它们阻止电子自由移动,但电子在某些情况下可以通过隧道穿过这些层。

读取和写入数据

写入和读取操作是通过向闪存单元施加电压来控制的。

阅读

为了读取存储的比特,源极被拉到地或0V,约3V被施加到漏极和控制门。如果浮动门是空的,这就迫使电子从源极水平地移动到漏极。电流的流动被解释为一个逻辑1。

然而,如果电子被困在浮动栅极中,它们就会阻止电流从源极流向漏极,这被解释为一个逻辑0。

写作

为了将逻辑0写入闪存单元,需要将电子困在浮动门上。这可以通过对源极施加0V电压,对漏极施加约7V电压,对控制门施加约10V的更高电压来实现。

电子被迫再次从源极水平移动到漏极,但由于电压较高,一些电子会通过隧道进入浮动栅。一旦电压被移除,这些电子就会被困在两个氧化层之间,时间长达10年之久!但最终它们会以隧道方式离开浮动门,数据就会丢失。因此,你应该定期备份驻留在闪存盘上的任何重要文件。

为了将电子从浮动门中移出并写入逻辑1,控制门被拉到地或0V,源极、硅基底和漏极被置于10V左右。这样一来,电子就被迫离开了浮动门。

当然,每个闪存单元的读写操作次数是有限的,直到它耗尽。因此,大多数现代系统试图分配数据,以便没有单元比其他单元使用得更频繁,以确保闪存的最大寿命。

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