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安防视频监控系统固态存储录像设备——快闪存储器

快闪存储器又称为闪烁存储器,它是在EPROM和E2PROM的制造技术基础上发展产生的一种新型的电可擦除、非易失性记录器件。EPROM为单管单元叠栅器件,编程靠沟道热电子,擦除靠紫外光。E2PROM为带有选择管的两管单元,编程和擦除均靠F-N隧道效应,它既可在系统中进行可编程,又可通过译码对个别位进行擦除和改写,因此系统调试很方便。

闪烁存储器采用EPROM单管单元结构,其加工工艺和编程机理都与EPROM类似,只是浮栅氧化层采用E2PROM的隧道氧化层。因此,它既具有EPROM的价格便宜、集成度高的优点,又具有E2PROM的电可擦除和可重写性。并且,它的访问时间短(小于60ns),擦除和重写的速度快。一块1M位的闪烁存储芯片,其擦除和重写一遍的时间小于5s,比一般标准的E2PROM要快得多。由于单元面积小,集成度可做到EPROM的水平,且全塑料封装,因而成本较低。但它只能整片擦除,不能像E2PROM那样逐个字节进行擦除和重写,且允许的擦除次数有限,目前只能达10万次左右。

一、快闪存储器的工作原理

快闪存储单元如图1所示,它在MOS管中印入一个浮栅,这个浮栅与源极、漏极以及控制栅之间都是电绝缘的。

图1 快闪存储单元

栅氧化层的厚度为10~20mm,其信息写入与读出的原理与EPROM类似。如果浮栅上注入电子状态表示“1”,无注入电子状态表示“0”。当漏极以及控制栅均加高压,源极接地时,漏极与控制栅间形成的电场使沟道中运动的电子加速,这些高能量的电子中的一部分将会获得足够的能量以穿过栅氧化层到达浮栅。高压撤除后,这些电子由于没有通路将仍被限制在浮栅上。读取信息时,在控制栅加上+12V的工作电压,根据沟道有否电流流过,即可判断“1”或“0”。

信息的擦除是将控制栅隔离(断开),漏极接地,源极接正高压,使栅氧化层两边产生一个强电场,引起所谓的F-N(Fowler Nordheim)隧道效应,即将电子从浮栅上拉下来,并在电场的加速下到达源极而复合掉,从而达到擦除的目的。

二、快闪存储器与其他半导体存储器的性能比较

从非易失性来看,半导体ROM是最早出现的-种非易失性存储器(NVMK由于它是在扩散级进行编程的,因而价格最便宜,但不具有电可编程性,即灵活性差。因此,掩膜ROM主要用于设计成本低且量大的应用领域。

EPROM的竞争优势在于热电子注入浮栅的方法使其具有可编程性,即灵活性,但其擦除不可在系统中进行,而要用紫外光。因此,它需要一种特殊的陶瓷封装材料,这就使成本大大提高。此外,还有一种组装在无窗口的塑料封装中的EPROM,它只能一次性编程,故称为一次性可编程EPROMoE2PROM每单元有两只晶体管,能进行位级擦除和编程,其功耗低、耐用,因采用塑料封装而成本较低。但是,其单元面积较大,通常为EPROM的2~3倍。由于它有10nm左右的薄隧道氧化层,工艺难度较EPROM的大,因而价格也比EPROM的高。现在,已设计出由不同类型的组合而成的用于高速非易失性存储器的专用存储器(ASM),当然成本也就相应地提高了。

快闪存储器是EPROM和E2PROM技术有机结合的产物,因而它兼有两者的优点。它工作于12V时,可以像E2PROM-样实现带电改写,而工作于+5V或0V时,其内容就像EPROM一样不可改写,它还具有不挥发性、存储密度高、功耗低等特点。快闪存储器与其他半导体存储器的性能比较如图2所示。

图2 快闪存储器与半导体存储器成本与性能比较

三、快闪存储器与磁盘性能的比较

大家知道,磁盘很容易受到各种机械震动的影响,受震动后,磁头就容易错位,而修复它既费钱又费时。大部分磁盘规定的工作震动容量是10千兆次,而快闪存储器的工作震动容量是1000千兆次。由于软、硬磁盘驱动器带有机械转动部件,因而与不需要机械转动部件的快闪存储器相比,可靠性低、功耗大。并且,机械因素也制约着磁盘的数据访问速率。因为写/读数据时,磁头必须首先移动到正确的磁道上,然后还要等待磁盘旋转到要读的扇区。磁盘的这个延迟时间为数十ms,而快闪存储器中的数据访问时间只受到电子路径的限制,可以低于0.2ns。快闪存储器和磁盘的几种典型参数值如表1所示。

表1 快闪存储器和磁盘的几种典型参数值
  访问时间/ms 功耗/W MB/g MB/cm3 振动/千兆次
快闪驱动器 0.5 0.03 0.36 0.51 1000
快闪存储芯片 0.2 0.002 2.41 5 1000
1.7”硬盘驱动器 20 1 0.21 0.34 10
2.5”可换硬驱器 14.5 0.4 0.25 0.34 10
3.5”软盘驱动器 94 0.14 0.01 0.02 5
 

 

由上可见,快闪存储器几乎同时具有其他存储器的优点。就成本和灵活性而言,快闪存储器正好处于各种半导体存储器的中间位置。功耗是便携机用户考虑的关键因素之一,因这影响到靠电池供电的仪器的使用时间,且低功耗还便于用户使用更轻的电池。快闪存储器的功耗远低于磁盘的功耗。此外,如果以单位质量和体积所容纳的字节数来表示存储容量的话,快闪存储器就占有绝对优势。