NOR FLASH和NAND FLASH基本结构和特点介绍
非易失性存储元件有很多种，如eprom、eeprom、nor flash和nand flash，前两者已经基本被淘汰了，因此我仅关注后两者，本文对flash的基本存储单元结构、写操作、擦除操作和读操作的技术进行了简单介绍，对了nor和nand由存储结构决定的特性和应用场合的差异，对后续的硬件设计和驱动编程起到铺垫作用。
1 flash基本存储单元---浮栅场效应管
nor flash和nand flash都是使用浮栅场效应管(floating gate fet)作为基本存储单元来存储数据的，浮栅场效应管共有4个端电极，分别是为源极（source）、漏极（drain）、控制栅极（control gate）和浮置栅极（floating gate），前3个端电极的作用于普通mosfet是一样的，区别仅在于浮栅，flash就是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，当向浮栅注入电荷后，d和s之间存在导电沟道，从d极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，d和s间没有导电沟道，从d极读到‘1’，原理示意图见图1.1[1],图1.2是一个实际浮栅场效应管的剖面图。
注：slc可以简单认为是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，mlc则是要利用浮栅中电荷的多少来表征‘00’，‘01’，‘10’和‘11’的，tlc与mlc相同。
2 flash基本存储单元的操作---写/擦除/读
flash中，常用的向浮栅注入电荷的技术有两种---热电子注入(hot electron injection)和f-n隧道效应(fowler nordheim tunneling)；从浮栅中挪走电荷的技术通常使用f-n隧道效应(fowler nordheim tunneling)，基本原理见图2[2]。
写操作就是向浮栅注入电荷的过程，nor flash通过热电子注入方式向浮栅注入电荷（这种方法的电荷注入效率较低，因此nor flash的写速率较低），nand flash则通过f-n隧道效应向浮栅注入电荷。flash在写操作之前，必须先将原来的数据擦除（即将浮栅中的电荷挪走），也即flash擦除后读出的都是‘1’。
擦除操作就是从浮栅中挪走电荷的过程，nor flash和nand flash都是通过f-n隧道效应将浮栅中的电荷挪走的。
读出操作时，控制栅极上施加的电压很小，不会改变浮栅中的电荷量，即读出操作不会改变flash中原有的数据，也即浮栅有电荷时，d和s间存在导电沟道，从d极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，d和s间没有导电沟道，从d极读到‘1’。
3 nor flash 和nand flash的结构和特性
3.1 nor flash的结构和特性
nor flash的结构原理图见图3.1，可见每个bit line下的基本存储单元是并联的，当某个word line被选中后，就可以实现对该word的读取，也就是可以实现位读取（即random ａccess），且具有较高的读取速率，图3.1是一个3*8bit的nor flash的原理结构图，图3.2是沿bit line切面的剖面图，展示了nor flash的硅切面示意图，这种并联结构决定了nor flash的很多特性。
（1）基本存储单元的并联结构决定了金属导线占用很大的面积，因此nor flash的存储密度较低，无法适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于code-storage，不适用于data-storage,见图3.3[3]。
（2）基本存储单元的并联结构决定了nor flash具有存储单元可独立寻址且读取效率高的特性，因此适用于code-storage，且程序可以直接在nor 中运行（即具有ram的特性）。
（3）nor flash写入采用了热电子注入方式，效率较低，因此nor写入速率较低，不适用于频繁擦除/写入场合。
最后来个小贴士：nor flash的中的n是not，含义是floating gate中有电荷时，读出‘0’，无电荷时读出‘1’，是一种‘非’的逻辑；or的含义是同一个bit line下的各个基本存储单元是并联的，是一种‘或’的逻辑，这就是nor 的由来。
3.2 nand flash的结构和特性
nand flash的结构原理图见图3.4，可见每个bit line下的基本存储单元是串联的，nand读取数据的单位是page，当需要读取某个page时，flash 控制器就不在这个page的word line施加电压，而对其他所有page的word line施加电压（电压值不能改变floating gate中电荷数量），让这些page的所有基本存储单元的d和s导通，而我们要读取的page的基本存储单元的d和s的导通/关断状态则取决于floating gate是否有电荷，有电荷时，bit line读出‘0’，无电荷bit line读出‘1’，实现了page数据的读出，可见nand无法实现位读取（即random ａccess），程序代码也就无法在nand上运行。
图3.4是一个8*8bit的nand flash的原理结构图，图3.5是沿bit line切面的剖面图，展示了nand flash的硅切面示意图，nand flash的串联结构决定了其很多特点.
（1）基本存储单元的串联结构减少了金属导线占用的面积，die的利用率很高，因此nand flash存储密度高，适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于data-storage，见图3.3[3]。
（2）基本存储单元的串联结构决定了nand flash无法进行位读取，也就无法实现存储单元的独立寻址，因此程序不可以直接在nand 中运行,因此nand是以page为读取单位和写入单位，以block为擦除单位，见图3.6。
（3）nand flash写入采用f-n隧道效应方式，效率较高，因此nand擦除/写入速率很高，适用于频繁擦除/写入场合。同时nand是以page为单位进行读取的，因此读取速率也不算低（稍低于nor）。
最后来个小贴士：nand flash的中的n是not，含义是floating gate中有电荷时，读出‘0’，无电荷时读出‘1’，是一种‘非’的逻辑；and的含义是同一个bit line下的各个基本存储单元是串联的，是一种‘与’的逻辑，这就是nand 的由来。
3.3 nor 和nand的比对
通过3.1和3.2节对nor和nand结构和特点的解析，我们可以得出图3.7[5]和图3.8[5]中的结论，更详细的比对请见参考文献[3]
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nor flash和nand flash都是使用浮栅场效应管(floating gate fet)作为基本存储单元来存储数据的，浮栅场效应管共有4个端电极，分别是为源极（source）、漏极（drain）、控制栅极（control gate）和浮置栅极（floating gate），前3个端电极的作用于普通mosfet是一样的，区别仅在于浮栅，flash就是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，当向浮栅注入电荷后，d和s之间存在导电沟道，从d极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，d和s间没有导电沟道，从d极读到‘1’，原理示意图见图1.1[1],图1.2是一个实际浮栅场效应管的剖面图。
注：slc可以简单认为是利用浮栅是否存储电荷来表征数字0’和‘1’的，mlc则是要利用浮栅中电荷的多少来表征‘00’，‘01’，‘10’和‘11’的，tlc与mlc相同。
2 flash基本存储单元的操作---写/擦除/读
flash中，常用的向浮栅注入电荷的技术有两种---热电子注入(hot electron injection)和f-n隧道效应(fowler nordheim tunneling)；从浮栅中挪走电荷的技术通常使用f-n隧道效应(fowler nordheim tunneling)，基本原理见图2[2]。
写操作就是向浮栅注入电荷的过程，nor flash通过热电子注入方式向浮栅注入电荷（这种方法的电荷注入效率较低，因此nor flash的写速率较低），nand flash则通过f-n隧道效应向浮栅注入电荷。flash在写操作之前，必须先将原来的数据擦除（即将浮栅中的电荷挪走），也即flash擦除后读出的都是‘1’。
擦除操作就是从浮栅中挪走电荷的过程，nor flash和nand flash都是通过f-n隧道效应将浮栅中的电荷挪走的。
读出操作时，控制栅极上施加的电压很小，不会改变浮栅中的电荷量，即读出操作不会改变flash中原有的数据，也即浮栅有电荷时，d和s间存在导电沟道，从d极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，d和s间没有导电沟道，从d极读到‘1’。
3 nor flash 和nand flash的结构和特性
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nor flash的结构原理图见图3.1，可见每个bit line下的基本存储单元是并联的，当某个word line被选中后，就可以实现对该word的读取，也就是可以实现位读取（即random ａccess），且具有较高的读取速率，图3.1是一个3*8bit的nor flash的原理结构图，图3.2是沿bit line切面的剖面图，展示了nor flash的硅切面示意图，这种并联结构决定了nor flash的很多特性。
（1）基本存储单元的并联结构决定了金属导线占用很大的面积，因此nor flash的存储密度较低，无法适用于需要大容量存储的应用场合，即适用于code-storage，不适用于data-storage,见图3.3[3]。
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（3）nor flash写入采用了热电子注入方式，效率较低，因此nor写入速率较低，不适用于频繁擦除/写入场合。
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