1.FLASH器件特性

Flash 分為 NAND flash和 NOR flash。均是使用浮柵場(chǎng)效應(yīng)管(FloatingGate FET) 作為基本存儲(chǔ)單元來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，浮柵場(chǎng)效應(yīng)管共有4個(gè)端電極，分別是源（Source）、漏（Drain）、控制柵（ControlGate）和浮柵（FloatingGate）。 Flash 器件與普通MOS管的主要區(qū)別在于浮柵，F(xiàn)lash 器件通過浮柵注入和釋放電荷表征“0” 和 “1”。當(dāng)向浮柵注入電荷后，讀出 “0”；（Program（注入電荷））。當(dāng)浮柵中沒有電荷時(shí)，讀出 “1”；（Erase（釋放電荷））

FLASH 器件柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用來保護(hù)浮置柵極中的電荷不會(huì)泄漏。采用這種結(jié)構(gòu)，使得存儲(chǔ)單元具有了電荷保持能力，就像是裝進(jìn)瓶子里的水，倒入水后水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出。通常用 DataRetention ：數(shù)據(jù)保持力，衡量FLASH存儲(chǔ)單元保存電荷的能力。

2. FLASH操作的電路原理-讀

以 NOR FLASH 為例。通常 FLASH 會(huì)將 Vread 讀參考電壓設(shè)置在， Program （寫）和 Erase（擦除）兩種操作，對(duì)應(yīng)的閾值電壓 Vtp 和 Vte 之間。（否則會(huì)影響浮柵內(nèi)電荷的穩(wěn)定性）。

NOR FLASH 非門邏輯，F(xiàn)loating Gate 中有電荷時(shí)讀出“0”，無電荷時(shí)讀出“1”。一旦 FG 放置了電子，當(dāng)在CG上施加正電壓時(shí)，它部分取消了加在CG上電壓帶來的電場(chǎng)影響，這樣晶體管導(dǎo)通需要在CG上放置更高的電壓。即當(dāng)浮柵門積累或存儲(chǔ)的電子逐漸增多，門級(jí)閾值電壓 VT 就會(huì)相應(yīng)的升高，因?yàn)樾枰叩碾妷嚎朔艃?nèi)電子的影響才能使MOS導(dǎo)通。

假如在FG上沒有電子時(shí)，CG上放置電壓 Vt1 時(shí)導(dǎo)通，在FG上放置電子后，CG上需要放置電壓Vt2導(dǎo)通，滿足Vt2 > Vt1。為了讀出cell的值，在CG上放置一個(gè)電壓V（Vread），要求Vt1 < V 。<>

如果晶體管導(dǎo)通（代表數(shù)值1），即DS間能讀到電流，那么FG上肯定沒有電子，即邏輯“ 1 ”。

如果晶體管不導(dǎo)通（代表數(shù)值0） ，即DS間不能讀到電流，那么FG上肯定放置有電子，即邏輯“0”。

3. FLASH操作的電路原理-寫和擦

NAND型：擦和寫均是基于隧道效應(yīng)，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對(duì)浮置柵極進(jìn)行充電（寫數(shù)據(jù)）或放電（擦除數(shù)據(jù)）。

NOR型：擦除數(shù)據(jù)仍是基于隧道效應(yīng)（電流從浮置柵極到硅基層），但在寫入數(shù)據(jù)時(shí)則是采用熱電子注入方式（電流從浮置柵極到源極，這種方法效率較低，因此 NOR FLASH寫速率較低）。

以 NOR FLASH 為例。寫操作時(shí)，通常在門極施加高壓( ~如10V ) ，同時(shí)漏源之間施加偏置電壓 Vds，電子從源極向漏極流動(dòng)。當(dāng)Vds逐漸升高，電子也逐漸加速，變成熱電子，和漏端的晶格碰撞后，一小部分被散射，穿過氧化物絕緣層(SiO2)，最終被浮柵門吸收和保存。

當(dāng)浮柵門積累的電子足夠多，存儲(chǔ)單元的狀態(tài)就由 Erased(data=1) 變成 Programmed(data=0) 。外電場(chǎng)撤掉之后，電子被困在浮柵門，Programmed狀態(tài)因而得以保持。

同樣 以 NOR FLASH 為例。擦操作時(shí)，要讓FLASH的狀態(tài)由 Programmed 變成 Erased, 需要執(zhí)行寫的逆操作，把浮柵門保存的電子排出來。其中常用的做法是在門極施加較大的負(fù)壓( ~ 如-8V ) ，同時(shí)在源極施加正電壓( ~如5V ) ，這時(shí)在FN隧道效應(yīng) (FowlerNordheimTunneling) 的作用下，浮柵門里的電子能翻越氧化物絕緣層的勢(shì)壘，返回到N型的源端。

4. FLASH 丟參的電學(xué)原理

我們有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)一些 FLASH 出現(xiàn)存儲(chǔ)單元丟參的情況，從FLASH 器件的特性和電路原理上看。假設(shè)給FLASH一個(gè)干擾，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，由 “1” 變“0”容易，還是 “0” 變 “1” 容易呢？

很明顯，“0”變“1” 更加容易。因?yàn)? 變 1 是擦除，擦除放電，電荷自己是會(huì)出現(xiàn)越來越少的情況，但一般不會(huì)越來越多，除非給一個(gè)強(qiáng)能量克服氧化物絕緣層的作用。即電荷是可以在外部干擾的作用下減少，減少到一定程度，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容就從“0”變成了“1”。

這也是為啥空片的 FLASH 不用擔(dān)心干擾問題，其電學(xué)原理是一致的，沒寫的cell（存儲(chǔ)單元）是 “1” 狀態(tài)也就是我們常見的全 FF ，寫入的 cell 是program “0” 狀態(tài)，干擾都是從 “0” 往 “1” 的方向干擾的，不可能把 “1” 干擾成program “0” 狀態(tài)（電荷不會(huì)自己越來越多），因此空片的FLASH基本不用擔(dān)心外部干擾問題。

常見的外部干擾有：供電電壓波動(dòng)不穩(wěn)、外部強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射等能夠?qū)е码姾舍尫诺膱?chǎng)景。常見的電荷泄漏就是存儲(chǔ)單元的電荷由于某種原因逐漸流失，最終導(dǎo)致位反轉(zhuǎn)。

（1）電荷自然流失：速度非常慢，一般是每周或者每月流失個(gè)位數(shù)的電子（如SLCNAND的數(shù)據(jù)保存時(shí)間一般是10年（25C，<5000P/E cycles)?）。

（2）外界溫度：溫度上升，電荷自然流失的速度會(huì)加快 。

（3）錯(cuò)誤操作：反復(fù)擦寫次數(shù)很高的情況下（例如：>10KP/E cycles）（反復(fù)擦寫會(huì)導(dǎo)致絕緣層晶格受損，也會(huì)導(dǎo)致電荷流失速度加快）。

（4）外界電場(chǎng)/磁場(chǎng)干擾：電場(chǎng)改變導(dǎo)致電子加速流失。

5. FLASH 丟參的相關(guān)案例1

案例1：產(chǎn)品 A 灰測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn) 電量較低時(shí) 產(chǎn)品不播語音問題。經(jīng)過進(jìn)一步分析，確認(rèn)為FLASH音頻文件被改寫了，導(dǎo)致播放音頻時(shí)獲取文件失敗，不播放語音。對(duì)FLASH文件進(jìn)行回讀后，對(duì)比如下：

對(duì)比燒錄文件 和 FLASH 問題片子，發(fā)現(xiàn)問題 FLASH 片每個(gè) cell 里面每個(gè) bit 隨機(jī)出現(xiàn) “0” 變 “1” 的情況，并且有大片數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的表現(xiàn)。存儲(chǔ)扇區(qū)部分字節(jié)由 “0” 異變到 “1” ，在很多情況下如電子的自然流失是有一定概率出現(xiàn)的，但是大片出現(xiàn)異變，很明顯受到外部因素的影響，最常見的為供電電壓波動(dòng)帶來的電場(chǎng)干擾。

進(jìn)一步排查供電電源不穩(wěn)的原因，確認(rèn)確實(shí)會(huì)出現(xiàn)該問題，我們使用一次性干電池（鋰-亞硫酰氯）。其發(fā)生低電時(shí)，震動(dòng)電池，會(huì)使得電池內(nèi)部殘余的電解液在外力作用下震蕩到炭包內(nèi)部，提供短時(shí)間的電化學(xué)反應(yīng)可能，但是畢竟被吸附的很少，當(dāng)這部分電解液也被消耗之后，電池馬上恢復(fù)至無電狀態(tài)。

即出現(xiàn)低電時(shí)電池的電壓低于 FLASH 最低供電電壓2.7V（2.7-3.6V），但系統(tǒng)（BLE）還能正常工作，F(xiàn)LASH掉電不完全。震動(dòng)電池時(shí)電壓又瞬間恢復(fù)到3.0V以上，F(xiàn)LASH未掉電完全后上電。這樣的供電環(huán)境下壓測(cè)操作FLASH，容易復(fù)現(xiàn)問題。

6. FLASH 丟參的相關(guān)案例2

案例2：產(chǎn)品路測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)核心參數(shù)區(qū)參數(shù)丟失，但自己寫入的參數(shù)都正常的問題，確認(rèn)參數(shù)丟失區(qū)都是 “1”異變到 “0”。

為 “0”表示自己主動(dòng)寫過，且浮柵內(nèi)有電子，根據(jù)前面的分析可知電子自己不會(huì)越來越多。FLASH寫 “0” 時(shí)需要給 浮柵場(chǎng)效應(yīng)管 提供較大能量，使電子加速穿過氧化物絕緣層(SiO2)，進(jìn)入浮柵門，并被困住。因此此種情況基本排除是由于硬件的外部干擾導(dǎo)致發(fā)生 “1” 變 “0”。后期排查軟件，確認(rèn)是野指針導(dǎo)致參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)發(fā)生踩踏行為。

7. 結(jié)語

我們可以通過FLASH器件的特性來分析 FLASH cell 內(nèi)容出現(xiàn)丟失問題的原因，同時(shí)確認(rèn)外部工作環(huán)境的影響用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅