天硕工业级M.2 NVMe SSD固态硬盘浮栅晶体管工作原理全解析

天硕G55 Pro M.2 NVMe工业级SSD以自研PCIe Gen3x4主控+100%纯国产元器件实现了3600MB/s高速读取，-55℃~85℃的超宽温域稳定运行；以硬件级PLP掉电与固件协同保护全盘，支持智能软销毁功能。天硕(TOPSSD)工业级固态硬盘满足工业级抗振耐冲击标准，拥有200万小时+ MTBF高可靠认证及GJB2017体系背书，精准契合国产化存储对高性能、高可靠、高耐用的严苛需求。

本文将带你了解固态硬盘（SSD）是如何写入、擦除和读取数据的，以及主控和闪存颗粒都起到哪些作用。

SSD的最基本存储单元：浮栅晶体管

固态硬盘的核心存储介质是NAND闪存颗粒，其基本单元为浮栅晶体管。与机械硬盘的磁记录原理不同，SSD通过控制电子在半导体结构中的囚禁与释放，将数据编码为二进制状态（0或1），实现非易失性存储，即断电后数据不丢失。

浮栅晶体管的构造

浮栅晶体管是一种特殊的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET），其核心结构分为四层：

l 控制栅极：外部施加电压的电极，用于控制电子进出。

l 绝缘层：包裹浮栅的高质量二氧化硅，阻止电荷自然泄漏。

l 浮栅层：悬浮的电荷存储层，由多晶硅构成，用于囚禁电子。

l P型衬底：包含源极（Source）与漏极（Drain），形成电流通道。

浮栅被上下绝缘层完全隔离，一旦电子进入，无外部电场作用时无法逃逸。当浮栅层中的电子高于中间值时，被记值为0；反之，则被记值为1。

写入数据

需要写入数据时，主控会在控制极G施加一个高压，让来自源极的电子可以穿过隧穿层，进入浮栅层。因为有绝缘层的存在，电子无法继续向前移动，就被囚禁在了浮栅层。

而当我们把电压撤去，这些电子依然会被囚禁在浮栅层，因为隧穿层本质上也相当于绝缘体，就这样一位数据被存储了。

擦除数据

那么如果之前写入了“0”，现在想改写成“1”，能直接在原来的位置上操作吗？答案是：不能！由于NAND闪存的物理结构限制，浮栅被绝缘层包围，电子无法直接“覆盖”，必须通过擦除操作释放电荷，才能重新写入数据。

因此，想要在NAND中写入新数据，必须先擦除数据。其本质就是在释放电子，通过在P型衬底上施加高压，从而吸出电子。

值得注意的是，由于整个块都共用一个P型衬底，因此闪存都是以“块”为单位进行擦除数据的。

读取数据

当需要读取数据时，主控就会往控制极G施加一个较低的电压，将源极和漏极导通。由于电压较低，电子只能被吸引到靠近隧穿层的位置，却无法穿过隧穿层，因而源极漏极可以导通，形成电流。而存储0的浮栅层会比存储1的浮栅层有更多的电子，从而抵消控制极较低的电压，控制极需要更大的电压才能导通源极和漏极。

根据以上原理，主控可以通过阈值电压的不同，来判断浮栅中是否有电子。将单元中的电压与阈值电压进行比较，高于阈值电压识别为“0”，低于阈值电压识别为“1”。

*每单元存储比特越大，主控识别的难度越高

一片指甲盖大小的闪存颗粒，就能包含2万亿个浮栅晶体管；它们堆叠在一起，存储着海量的0和1。这是人类工程学造就的奇境：方寸之间，盛放着一个能映照现实、编码想象的的广阔信息世界。

关于天硕(TOPSSD)

天硕秉承“中国芯，存未来”的品牌理念，以构筑自主可控、安全可靠的存储基石为己任，致力于充分满足高性能工业级算力引擎的严苛需求。其提供丰富的产品形态组合，包括2.5”SATA、mSATA、M.2 SATA 2280、M.2 NVMe 2242、M.2 NVMe 2280、U.2、XMC、BGA SSD及各类加固型工业固态硬盘。产品采用长江存储闪存颗粒、长鑫DDR等国产核心元器件，全面适配飞腾、龙芯等国产自主芯片平台。