حافظه flash چیست ؟
حافظه های الکترونیکی درانواع گوناگون و برای مصارف مختلف ساخته شده اند . حافظه های فلش به دلیل سرعت بالای آنها در ثبت اطلاعات و همچنین استفاده فوق العاده آسان بسیار پر فروش و پر طرف دار می باشند . از این رو در دوربین های دیجیتالی ، تلفن همراه و سایر دستگاه ها شاهد استفاده روز افزون از آنها هستیم .
شیوه ذخیره اطلاعات در این نوع از حافظه بسیار شبیه به ذخیره اطلاعات در RAM می باشد . در حقیقت حافظه های فلش در نحوه فعالیت مشابه یک منبع ذخیره اطلاعات ثابت عمل می کند . به این معنی که در آنها هیچ قطعه متحرکی به کار نرفته و تمام کارها توسط مدارات الکترونیکی انجام می شود . در مقابل درون دیسک های سخت چندین قسمت متحرک وجود دارد که این وضع خود آسیب پذیر بودن این گونه حافظه را نسبت به حافظه های فلش نشان می دهد .
در تجهیزات زیر از حافظه فلش استفاده می شود :
• تراشه BIOS موجود در کامپیوتر
• CompactFlash که در دوربین های دیجیتال استفاده می شود
• SmartMedia که اغلب در دوربین های دیجیتال استفاده می شود
• Memory Stick که اغلب در دوربین های دیجیتال استفاده می شود
• کارت های حافظه PCMCIS نوع I و II
• کارت ها حافظه برای کنسول های بازی های ویدئویی

اصول و مبانی
تونل زنی الکترون
فرآیند تونل زدن یک پدیده‌ی مکانیکی- کوانتومی است که یک الکترون می‌تواند از میان سد انرژی بزرگتر از انرژی جنبشی خود عبور کند.
اگر ساختاری ایجاد شود که متشکل از 2 فلز مشابه باشد و این 2 فلز توسط یک ماده‌ی عایق نازک جدا شوند، تحت شرایط معینی الکترون می‌تواند از یک فلز به دیگر انتقال یابد. تونل زدن الکترون، از یک طرف به طرف دیگر آن در صورتی انجام می‌شود که حالت‌های الکترونی اشغال نشده در طرف دیگر وجود داشته باشد.
فیلم‌های اکسیدی بسیار نازک با رشد خود به خودی برای ایجاد اتصالات تونلی الکترونی مورد توجه می‌باشند که به لایه‌ی عایق با ضخامتی حدود 2-1 نانومتر احتیاج دارند. این دسته از طریق رسوب‌دهی فلزاتی که به آسانی قابل اکسید شدن می‌باشند، ایجاد می‌شوند.
حافظه‌ای با دانسیته بیش از 30 گیگا بیت بر اینچ مربع، تقریباً 5 گیگا بیت بر سانتیمتر مربع می توان با ساختارهای کبالت با ابعاد 75*25 نانومتر ایجاد کرد.

پرش الکترون داغ
اگر الکترونی به حد کافی انرژی بگیرد می تواند از یک تراز انرژی پایین تر به تراز انرژی بالاتر جهش نماید.هر چه اختلاف انرژی تراز اولیه و نهایی بیشتر باشد ، باید انرژی بیشتری به الکترون داده شود.
تعبیر این انرژی در خارج از نظریه حالت جامد، انرژی جنبشی الکترون می تواند باشد. به چنین الکترونی، الکترون داغ می گویند.
در تراشه ها ی نوین، برای ذخیره اطلاعات به صورت مستقلِ از منابع انرژی ، از به دام انداختن الکترون ها در یک قطعه فلزی که پوشیده شده از مواد عایق است، استفاده می شود. به همین دلیل است که برای پاک کردن اطلاعات نیاز به رهاندن الکترون ها دارد.
برای تامین انرژی جهش الکترون ، می توان از امواج پر انرژی ماوراء بنفش استفاده کرد.
در تراشه های EPROM از همین شیوه برای پاک کردن تراشه از اطلاعات استفاده می شد.چنانکه سطوحی فلزی بر سطح تراشه نقش جاذب امواج را بازی میکرد، به همین دلیل گاهاً از این روش به برنامه ریزی نوری تعبیر می شود.
اما با پیشرفت تکنولوژی، پژوهشگران توانستند تراشه ها را به صورت الکترونیکی از اطلاعات پاک کنند. یعنی انرژی لازم برای جهش الکترون را از طریق ایجاد میدان الکتریکی ،در مسیر جهش، ایجاد کنند.این امر سبب توسعه تراشه هایی با عنوان EEPROM گشت.
شیوه اخیر در به دام انداختن الکترون ها در تراشه های نوع NOR از حافظه های فلش استفاده می شود و از آن تعبیر به "تزریق الکترون های داغ"می شود. برای رهاندن الکترون ها نیز از شیوه تونل زنی استفاده می شود.

پیوند گاه p-n
مطابق نظریه حالت جامد، اگر مقداری اندک ناخالصیِ فلزی، به شبکه بلورِ یک نیمه رسانا اضافه شود، رسانایی شبکه دستخوش تغییر می گردد.
در نظریه حالت جامد از ترازهای انرژی کوانتیده برای توصیف الکترون های یک ماده استفاده می کنند.ترازی که دارای بیشترین انرژی است را تراز ظرفیت می نامند.اگر جامد مورد بحث رسانا باشد به این تراز، تراز رسانش گفته می شود.
به تراز های خالی از الکترون که در میان انبوهی از تراز های پر قرار گرفته اند حفره می گویند. چون حفره ها نبود الکترون با بار منفی را گوشزد می کنند لذا به آنها حامل بار نوع p که از اول عبارت positive گرفته شده است، می گویند.
الکترون های لایه رسانش و حفره های لایه قبل از رسانش نقش رسانندگی را در مواد نیمه هادی بازی می کنند.
بسته به این که اتم آلاینده در آخرین تراز اتمی خود تعداد بیشتر یا کمتری الکترون نسبت به آخرین تراز اتم نیمه رسانا داشته باشد به بلور حاصل ، نیمه رسانای نوع n (دارای تعداد بار منفی بیشتر والکترون آزاد بیشتر در شبکه بلور)و نیمه رسانای نوع p (دارای الکترون کمتر و دارای حفره های بیشتر) می گویند.
اگر یک نیمه رسانای نوع n را به نیمه رسانای نوع p اتصال موضعی دهیم، در محل اتصال حامل های نوع p متعلق به نیمه رسانای نوع p با الکترون های آزاد نیمه رسانای نوع n ترکیب شده و خنثی می گردند(نابود می شوند، یعنی حفره توسط الکترون پر شده و الکترون نیز مقید می شود.) البته این اتفاق فقط در محل پیوندگاه رخ می دهد و سبب ایجاد ناحیه ای موسوم به تهی میان 2 قطعه می شود. این ناحیه نارساناست. لذا جلوی ترکیب شده ما بقی حامل های طرفین را می گیرد.
حال اگر به منحنی انرژی-مکان در محل پیوندگاه نظر بیفکنیم، می بینیم یک شیب پتانسیل پدیدآمده است که معادل همان ناحیه تهی است. لذا اگر میدانی الکتریکی در 2 قطعه ایجاد کنیم به نحوی که به تضعیف این شیب پتانسیل بپردازد، آنگاه عرض ناحیه تهی کمتر و کمتر می شود و در نهایت رسانش میان 2 قطعه برقرار می شود.دقت شود که به علت میدان الکتریکی، جهت حرکت حامل های با بار متفاوت، متفاوت خواهد بود، لذاست که از ترکیب مجدد آنها جلوگیری به عمل می آید.
جهت میدان الکتریکی یاد شده باید از قطعه p به قطعه n باشد تا در سمت p پتانسیل بیشتر از سمت n اعمال شود. لذا اختلاف پتانسیل 2 سطح به صفر میل می کند و پیوندگاه رسانا می شود. پیوندگاه تنها جریان را از یک سو عبور می دهد . به این سو پیش ولت موافق می گویند.

ترانزیستورهای اثر میدان
اساس کار حافظه های فلش ترانزیستورهایی هستند که تغییر شکل یافته ترانزیستورهای"فلزاکسید-نیمه هادی مبتنی بر اثر میدان می باشند.
ترانزیستورهای اخیر، از 3 قطعه نیمه هادی که 2 قطعه آن هم نوع هستند تشکیل شده است. در اینجا به توضیح طرز کار نوع npn که در ساختمان حافظه های فلش از تغییر شکل یافته آن استفاده شده است می پردازیم.
MOS کانال n مطابق شکل متشکل از قطعه بدنه ای است که از ماده سیلیکان نوع p با ناخالصی کم می باشد. دو ناحیه ای که ناخالصی n آنها بالا است سورس و درین(ورودی و خروجی کلید الکترونیکی که ترانزیستور آن را تشکیل داده است) را تشکیل می دهد.ناحیه بین 2 بخش نوع n -که از نوع p است- نقش کانال انتقال جریان را به عهده دارد.
گیت-دروازه- کنترل ترانزیستور-که اعمال ولتاژ خاصی به آن سبب باز و بسته شدن کلید الکتریکی می شود- صفحه ای فلزی است که توسط یک دی الکتریک از جنس دی اکسید سیلیکان از کانال (ناحیه p ) جدا شده است.
یک ولتاژ مثبت(نسبت به بدنه ) در گیت کنترل موجب القاء میدان الکتریکی در کانال شده و حامل های نوع n (الکترون ها) را جذب می نماید. با افزایش ولتاژ مثبت در گیت ، ناحیه زیر گیت الکترون های بیشتری را در خود جای داده و هدایت افزایش می یابد و جریان از سورس به درین جاری شده و افت ولتاژ بین این 2 پایانه به وجود می آید.در واقع میدان الکتریکی مورد نیاز برای از بین بردن ناحیه تهی را القای الکتریکی ایجاد می کند.

ساختار سلول های حافظه فلش
حافظه های فلش از تراشه های EEPROM ساخته شده اند . در این گونه از حافظه ها ذخیره و حذف اطلاعات توسط جریان های الکتریکی صورت می پذیرد . این گونه تراشه ها داخل سطر ها و ستون های مختلف شبکه ای منظم را پدید می آورند . در این شبکه هر بخش کوچک دارای شماره سطر و ستون مختص به خود بوده و در اصطلاح هر کدام از این بخش ها یک سلول حافظه نامیده می شود .
هر تراشه حافظه فلش از واحد هایی به نام بلاک ساخته شده است. هر بلاک خود از واحدهای کوچکتری به نام سلول ساخته شده است.
هر بلاک 64 یا 128 یا 512 سلول را دارا می باشد. هر سلول از یک ترانزیستور تغییر شکل یافته MOSFET تشکیل شده است .
ترانزیستورهای سلول دارای 2 گیت می باشند. یکی همان گیت کنترل و دیگری گیت معلق . علت این نام گذاری آن است که این گیت از اطراف توسط دی اکسید سیلیکان پوشیده شده و کاملا از محیط اطراف ایزوله است.
اگر گیت معلق خالی از الکترون باشد، با تحریک گیت کنترل، ترانزیستور جریان را از خود عبور می دهد. اما اگر به نحوی گیت معلق بار منفی گرفته باشد، میدانِ گیتِ معلق اثر میدانِ گیتِ کنترل بر کانال n را خنثی کرده و جریان خروجی از ترانزیستور کمتر از جریان ورودی به آن خواهد بود.
اما اگر گیت معلق باردار شود به علت ایزوله بودن از محیط اطراف، تا سالیان سال بار الکتریکی را در خود نگه داری می کند. مگر آنکه شرایط تونل زنی برای الکترون های به دام افتاده در آن فراهم شود. به همین دلیل است که سلول را با به دام انداختن الکترون ها می توان برنامه ریزی کرد و از آن به عنوان حافظه مستقل از انرژی الکتریکی که ثبات چندین ساله هم خواهد داشت، استفاده کرد.
اما برای به دام انداختن الکترون ها می توان هم از شیوه جهش الکترون داغ استفاده کرد و هم از تونل زنی الکترونی. شیوه جهش در فلش های نوع NOR و شیوه تونل زنی در فلش های نوع NAND استفاده می شود.
لیکن برای رهاندن الکترون ها از گیت معلق و پاک کردن سلول، هم در نوعNAND و هم NOR تنها می توان از شیوه تونل زنی استفاده کرد. زیرا الکترون های گیت معلق کاملاً از محیط ایزوله اند و امکان انرژی دادن به مقدار زیاد آنها ممکن نیست. لذا با کاهش انرژی الکترون های موجود در درین -از طریق اتصال آنها به ولتاژ مثبت- شرایط را برای تونل زدن الکترون ها از گیت معلق به درین فراهم می کنیم.
اگر گیت معلق باردار نشده باشد، سلول جریان را به صورت کامل از خود عبور می دهد. لذاست که سلول ها به صورت پیش فرض(بدون برنامه ریزی) مقدار 1 را دارا می باشند.
پس از برنامه ریزی و قرارگرفتن الکترون ها روی گیت معلق، سلول جریان را کامل از خود عبور نمی دهد و مقدار منطقی سلول برابر 0 می شود. لذا پاک کردن برنامه سلول، هم ارز است با تغییر مقدار آن به 1.در زیر نوع جریان هر پایانه برای سلول های نوع NOR نمایانده شده است.

http://www.microrayaneh.com