Das Herzstück einer jeden SD Karte ist der Flash Speicherchip. Um zu verstehen, warum die Qualität von SD Karten nicht immer gleich gut ist, müssen wir wissen, wie Flash Speicher hergestellt wird und wie er funktioniert.
Dieser Beitrag ist Teil einer dreiteiligen Miniserie über SD Karten mit einigen ausführlichen Informationen.
- Part 1 – Wie man SD Karten klassifiziert und die richtige Karte für eine Anwendung wählt
- Part 2 – Wie funktioniert Flash Speicher
- Part 3 –Was sind SD Karten Grades und warum sind sie wichtig (erscheint nächste Woche)
Inhalt
- Warum wird Silizium für Flash Speicher verwendet
- Silizium Wafer Produktion
- Produktion von Dies
- Flash Speicher Aufbau
- Lesen und SChreiben von Daten
Falls du nur einen Überblick oder eine kurze Auffrischung zu dem Thema brauchst, ist hier ein Infographik mit den wichtigsten Themen.
Warum wird Silizium für Flash Speicher verwendet
Flash Speicher und andere Mikrochips werden aus Silizium hergestellt, weil es ein Halbleiter ist. Das bedeutet, dass es nur unter bestimmten Bedingungen Strom leitet. Außerdem ist Silizium das am zweithäufigsten vorkommende Element in der Erdkruste.
Die Halbleitereigenschaft von Silizium ermöglicht den Herstellern eine vollständige Kontrolle über die elektrischen Widerstände von Materialien auf Siliziumbasis, indem sie winzige Mengen an Verunreinigungen hinzufügen. Dabei handelt es sich meist um Bor, Phosphor, Arsen und Antimon.
Silizium Wafer Produktion
Der erste Schritt bei der Herstellung von Flash Speichern ist die Herstellung eines Siliziumblocks. Es gibt mehrere Methoden, um einen zylindrischen Block zu erhalten. Werfen wir einen Blick auf das häufig verwendete Czochralski-Verfahren.
Czochralski-Verfahren
Der polnische Chemiker Jan Czochralski erfand eine Methode um einzelne Sliziumkristalle von extrem hoher Reinheit zu produzieren.
Silizium wird in einem Schmelztiegel geschmolzen. Danach wird ein kleiner solider Siliziumkristall in die Schmelze eingeführt. Er wird langsam nach oben gezogen, während der Tiegel und der Kristall in entgegengesetzte Richtungen rotieren. So entsteht ein sehr homogener zylindrischer Siliziumblock, der auch Boule genannt wird.
Slicing
Eine Wafersäge zerschneidet das Boule in Scheiben, die sehr dünn sind (etwa 100-500 μm dick). Diese Scheiben werden Wafer genannt.
Die Wafer werden physikalisch und chemisch poliert, um Defekte und Verunreinigungen bis in den atomaren Bereich zu entfernen.
Produktion von Dies
Natürlich verfügen die Wafer noch nicht über Superkräfte. Sie müssen erst in Chips verwandelt werden. Ein Die ist ein Stück eines Silizium Wafers, das eine integrierte Schaltung enthält.
Das am häufigsten verwendete Verfahren zum Drucken der integrierten Schaltung auf den Wafer ist die Fotolithografie.
Dieser Prozess ist einfach zu verstehen, aber aufgrund des unglaublich kleinen Maßstabs integrierter Schaltkreise sehr schwierig mit gleichbleibender Qualität durchzuführen.
Fotolithografie
Sieh dir die folgende Grafik an, die den Aufbau der Fotolithografie zeigt.
Vor der Weiterverarbeitung wird der Wafer erneut gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen. Dann wird er mit einer mikroskopisch dünnen und perfekt gleichmäßigen Schicht aus Silizium und Fotolack grundiert. Eine Blende, die aus einer Lichtquelle und Linsen besteht, projiziert die Fotomaske auf den Wafer. Die meisten Unternehmen verwenden hochenergetisches UV-Licht. Nach einigen weiteren Schritten wird so das Muster von der Fotomaske auf die Siliziumschicht auf der Oberseite des Wafers übertragen.
Danach muss die erste Schicht gereinigt werden, um mit der nächsten Schicht beginnen zu können. Die Fotolithografiemaschine wiederholt diese Schritte für jede Schicht, bis die spezifische 3D-Struktur des Flash Speichers fertig ist.
In diesem Stadium sieht der Wafer wie eine Scheibe mit vielen Zellen auf der Oberseite aus. Diese meist quadratischen Zellen sind die einzelnen Dies, die in diesem Fall einzelne Flash Speicher Einheiten sind.
Bevor die Wafer weiterverarbeitet werden können, muss die Qualität der einzelnen Chips bestimmt werden. Das Ergebnis ist eine so genannte Wafer Map, die die Qualität der einzelnen Chips auf dem Wafer angibt. Aufgrund der Funktionsweise des Produktionsprozesses besteht die Tendenz, dass Chips in der Mitte besser abschneiden als am Rand.
Die Chips, die den erforderlichen Qualitätsstandard erreichen, werden aus dem Wafer herausgeschnitten und in Flash Speichergeräte eingebaut.
Jetzt weißt du, wie Flash Speicher hergestellt wird. Natürlich ist es fast unmöglich, jedes Mal perfekt gleichbleibende Ergebnisse zu erzielen, da eine riesige Anzahl von Parametern die Produktion beeinflusst.
Alles, von den Materialien bis zu den Maschinen, muss von perfekter Qualität sein, um die Anzahl der funktionierenden Chips auf jedem Wafer zu maximieren.
Flash Speicher Aufbau
Eine einzelne Zelle eines Flash Speichers kann 1 Bit speichern. Die Zelle besteht aus einer Source und einem Drain sowie einem Floating Gate und einem Control Gate, die sich alle auf dem Siliziumsubstrat befinden.
Zwischen dem Control Gate, dem Floating Gate und dem Siliziumsubstrat befinden sich Oxidschichten. Sie verhindern, dass sich Elektronen frei bewegen können, aber unter bestimmten Umständen können Elektronen durch diese Schichten tunneln.
Lesen und Schreiben von Daten
Schreib- und Lesevorgänge werden durch Anlegen von Spannungen an die Flash Speicherzelle gesteuert.
Lesen
Um das gespeicherte Bit auszulesen, wird die Source auf Masse oder 0 V gezogen, und an Drain und Control Gate werden etwa 3 V angelegt. Dadurch werden die Elektronen gezwungen, sich horizontal von der Source zum Drain zu bewegen, wenn das Floating Gate leer ist. Der Stromfluss wird als eine logische 1 interpretiert.
Wenn jedoch Elektronen im Floating Gate gefangen sind, verhindern sie den Stromfluss von der Source zum Drain, was als logische 0 interpretiert wird.
Schreiben
Um eine logische 0 in die Flash Speicherzelle zu schreiben, müssen Elektronen im Floating Gate eingefangen werden. Dies wird erreicht, indem 0 V an die Source, etwa 7 V an den Drain und eine noch höhere Spannung von etwa 10 V an das Control Gate angelegt werden.
Die Elektronen sind gezwungen, sich wieder horizontal von der Source zum Drain zu bewegen, aber einige tunneln aufgrund der höheren Spannung in das Floating Gate. Sobald die Spannungen entfernt werden, sind diese Elektronen bis zu 10 Jahre lang zwischen den beiden Oxidschichten gefangen! Aber irgendwann tunneln sie aus dem Floating Gate heraus und die Daten gehen verloren. Daher sollten Sie regelmäßig Sicherungskopien aller wichtigen Dateien auf Flash Laufwerken erstellen.
Um die Elektronen aus dem Floating Gate zu entfernen und eine logische 1 zu schreiben, wird das Control Gate auf Masse oder 0 V gezogen und die Source, das Siliziumsubstrat und der Drain werden auf etwa 10 V gelegt. Auf diese Weise werden die Elektronen aus dem Floating Gate verdrängt.
Natürlich kann jede Flash Speicherzelle nur eine begrenzte Anzahl von Lese- und Schreibvorgängen durchführen, bis sie abgenutzt ist. Daher versuchen die meisten modernen Systeme, die Daten so zu verteilen, dass keine Zelle häufiger als andere genutzt wird, um eine maximale Lebensdauer des Flash Speichers zu gewährleisten. Dieser Prozess wird als Wear Levelling bezeichnet.