1.FLASH器件特性

Flash 分為 NAND flash和 NOR flash。均是使用浮柵場效應管(FloatingGate FET) 作為基本存儲單元來存儲數據的，浮柵場效應管共有4個端電極，分別是源（Source）、漏（Drain）、控制柵（ControlGate）和浮柵（FloatingGate）。 Flash 器件與普通MOS管的主要區別在于浮柵，Flash 器件通過浮柵注入和釋放電荷表征“0” 和 “1”。當向浮柵注入電荷后，讀出 “0”；（Program（注入電荷））。當浮柵中沒有電荷時，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，用來保護浮置柵極中的電荷不會泄漏。采用這種結構，使得存儲單元具有了電荷保持能力，就像是裝進瓶子里的水，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 ：數據保持力，衡量FLASH存儲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 會將 Vread 讀參考電壓設置在， Program （寫）和 Erase（擦除）兩種操作，對應的閾值電壓 Vtp 和 Vte 之間。（否則會影響浮柵內電荷的穩定性）。

NOR FLASH 非門邏輯，Floating Gate 中有電荷時讀出“0”，無電荷時讀出“1”。一旦 FG 放置了電子，當在CG上施加正電壓時，它部分取消了加在CG上電壓帶來的電場影響，這樣晶體管導通需要在CG上放置更高的電壓。即當浮柵門積累或存儲的電子逐漸增多，門級閾值電壓 VT 就會相應的升高，因為需要更高的電壓克服浮柵內電子的影響才能使MOS導通。

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

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

如果晶體管不導通（代表數值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，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對浮置柵極進行充電（寫數據）或放電（擦除數據）。

NOR型：擦除數據仍是基于隧道效應（電流從浮置柵極到硅基層），但在寫入數據時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，通常在門極施加高壓( ~如10V ) ，同時漏源之間施加偏置電壓 Vds，電子從源極向漏極流動。當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。

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

同樣 以 NOR FLASH 為例。擦操作時，要讓FLASH的狀態由 Programmed 變成 Erased, 需要執行寫的逆操作，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壓( ~ 如-8V ) ，同時在源極施加正電壓( ~如5V ) ，這時在FN隧道效應 (FowlerNordheimTunneling) 的作用下，浮柵門里的電子能翻越氧化物絕緣層的勢壘，返回到N型的源端。

4. FLASH 丟參的電學原理

我們有時候會發現一些 FLASH 出現存儲單元丟參的情況，從FLASH 器件的特性和電路原理上看。假設給FLASH一個干擾，存儲單元的內容，由 “1” 變“0”容易，還是 “0” 變 “1” 容易呢？

很明顯，“0”變“1” 更加容易。因為0 變 1 是擦除，擦除放電，電荷自己是會出現越來越少的情況，但一般不會越來越多，除非給一個強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，存儲單元的內容就從“0”變成了“1”。

這也是為啥空片的 FLASH 不用擔心干擾問題，其電學原理是一致的，沒寫的cell（存儲單元）是 “1” 狀態也就是我們常見的全 FF ，寫入的 cell 是program “0” 狀態，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（電荷不會自己越來越多），因此空片的FLASH基本不用擔心外部干擾問題。

常見的外部干擾有：供電電壓波動不穩、外部強磁場、強輻射等能夠導致電荷釋放的場景。常見的電荷泄漏就是存儲單元的電荷由于某種原因逐漸流失，最終導致位反轉。

（1）電荷自然流失：速度非常慢，一般是每周或者每月流失個位數的電子（如SLCNAND的數據保存時間一般是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加快 。

（3）錯誤操作：反復擦寫次數很高的情況下（例如：>10KP/E cycles）（反復擦寫會導致絕緣層晶格受損，也會導致電荷流失速度加快）。

（4）外界電場/磁場干擾：電場改變導致電子加速流失。

5. FLASH 丟參的相關案例1

案例1：產品 A 灰測時，發現 電量較低時 產品不播語音問題。經過進一步分析，確認為FLASH音頻文件被改寫了，導致播放音頻時獲取文件失敗，不播放語音。對FLASH文件進行回讀后，對比如下：

對比燒錄文件 和 FLASH 問題片子，發現問題 FLASH 片每個 cell 里面每個 bit 隨機出現 “0” 變 “1” 的情況，并且有大片數據不穩定的表現。存儲扇區部分字節由 “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的，但是大片出現異變，很明顯受到外部因素的影響，最常見的為供電電壓波動帶來的電場干擾。

進一步排查供電電源不穩的原因，確認確實會出現該問題，我們使用一次性干電池（鋰-亞硫酰氯）。其發生低電時，震動電池，會使得電池內部殘余的電解液在外力作用下震蕩到炭包內部，提供短時間的電化學反應可能，但是畢竟被吸附的很少，當這部分電解液也被消耗之后，電池馬上恢復至無電狀態。

即出現低電時電池的電壓低于 FLASH 最低供電電壓2.7V（2.7-3.6V），但系統（BLE）還能正常工作，FLASH掉電不完全。震動電池時電壓又瞬間恢復到3.0V以上，FLASH未掉電完全后上電。這樣的供電環境下壓測操作FLASH，容易復現問題。

6. FLASH 丟參的相關案例2

案例2：產品路測時發現核心參數區參數丟失，但自己寫入的參數都正常的問題，確認參數丟失區都是 “1”異變到 “0”。

為 “0”表示自己主動寫過，且浮柵內有電子，根據前面的分析可知電子自己不會越來越多。FLASH寫 “0” 時需要給 浮柵場效應管 提供較大能量，使電子加速穿過氧化物絕緣層(SiO2)，進入浮柵門，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致發生 “1” 變 “0”。后期排查軟件，確認是野指針導致參數存儲區發生踩踏行為。

7. 結語

我們可以通過FLASH器件的特性來分析 FLASH cell 內容出現丟失問題的原因，同時確認外部工作環境的影響用于指導設計。

審核編輯：湯梓紅