为什么flash芯片有寿命限制

为什么flash芯片有寿命限制

量子隧穿效应

在量子力學裏，量子穿隧效應（Quantum tunnelling effect）指的是，像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為，儘管位勢壘的高度大於粒子的總能量。在古典力學裏，這是不可能發生的，但使用量子力學理論卻可以給出合理解釋。[1]:xix

量子穿隧效應是太陽核融合所倚賴的機制。量子穿隧效應限制了太陽燃燒的速率，是太陽聚變循環的瓶頸，因此維持太陽的長久壽命。[2]:625[3]許多現代器件的運作都倚賴這效應，例如，隧道二極體、場致發射、約瑟夫森結、磁隧道結等等。掃描隧道顯微鏡、原子鐘也應用到量子穿隧效應。[2]:257, 260, 437, 454量子穿隧理論也被應用在半導體物理學、超導體物理學等其它領域。

flash芯片的原理

结构

• source: 源极
• Drain:漏极
• Float gate：浮动栅
• control gate：控制栅
• insulator：二氧化硅材料 （超薄）

浮动栅是由氮化物夹在二氧化硅中构成。

写操作

给控制栅加+电压，利用隧穿效应，将电子吸入浮动栅。由于浮动栅上下的二氧化硅材料并不导电，这些电子被囚禁在浮动栅中，不能出去。这样以后无论控制栅电压有没有，这个状态都会保持下去。所以闪存可以掉电保存数据。 写操作完成后，闪存单元存储的为0.

擦除操作

在源极加+电压，利用浮动栅和漏极之间的隧道效应，将注入到浮动栅的负电荷吸引到源极，排空浮动栅的电子。这时候读取的状态为1.

读取操作

在读取的时候，给控制栅加一个低的读取电压， 对于被写过的闪存单元来说，被囚禁的电子可以抵消该读取电压，造成源极和漏极之间是关闭的状态。 对于被擦除过的闪存则相反，源极和漏极在控制栅的低电压作用下，处于导通状态。

也就是通过向控制栅加读取电压，判断源极和漏极之间是否导通就可以来读取单元的状态。如果写过，则是关闭的，为0.如果被擦除过，则是导通的，为1.

总结

当写的时候，加入足够大的门极电压，就可以通过氧化层的隧穿效应，将电子打入到浮栅中完成写0的过程； 当擦除的时候，就加反向电压同样利用隧穿效应让电子从氧化层出来，就可以完成擦除写1的过程； 当读的时候，由于浮栅里面有电子，会有反向电场，读的时候就是靠这个特性，通过读取电压来分析导通电流，判断是否为0。

因为flash要想要维持其能够封存电子，需要有这种超薄的绝缘薄膜（二氧化硅）的支持。 随着长期的电子的穿透，薄膜的绝缘性受到了降低，因为晶格结构被反复冲击会产生电效应和热效应。 这样当进行电压的改变进行电子的吸附的时候，就会出现电子的逃逸，产生漏电，这样的结果就是不能获取到底是读还是写的准确状态，这样就不能继续使用了。