Grundlagen der Flash-Technik Teil 1

So funktionieren die blitzschnellen Speicher

03.02.2009 | Autor / Redakteur: Hermann Strass / Nico Litzel

Aufbau einer Flash-Zelle (Quelle: Wikipedia, Urheber Appaloosa)

Bei der Datenspeicherung unterscheidet man zwischen dauerhaften (non-volatilen, nicht-flüchtigen) und nicht-dauerhaften (volatilen, flüchtigen) Speichertechniken. Halbleiterspeicher gibt es als flüchtige (RAM) oder nicht-flüchtige (ROM, Flash) Variante. Dieser Speichertyp kommt ohne mechanische Teile aus und ist daher meist sehr schnell bei geringem Energieverbrauch. Wie Flash-Speicher funktionieren und welche verschiedenen Typen es gibt, erläutert der nachfolgende Beitrag.

Eine Flash-Zelle besteht aus einem MOSFET-Transistor mit einer zusätzlichen Elektrode (Floating Gate), die, wie der Name ausdrückt, schwebend, also nicht mit der Außenwelt verbunden, eingebaut ist. Diese zusätzliche Elektrode wird zwischen der Steuerelektrode (Controling Gate) und dem aktiven Transistorkanal (source – drain) platziert und mit einer dünnen halbdurchlässigen Trennschicht umgeben.

In diesem Zustand hat das Floating Gate noch keinen nennenswerten Einfluss auf den Transistorbetrieb. Werden nun freie Elektronen mithilfe von höherer Spannung (Schreibspannung) durch die Barriere (meist eine Oxidschicht) hindurch auf das Floating Gate „gepresst“, dann ändert sich das Transistorverhalten erheblich. Die Anreicherung des Floating Gate mit Elektronen wird auch Programmierung genannt.

Das Floating Gate wird je nach Menge der aufgenommenen Elektronen zu einem elektronischen Drosselventil für die Transistorfunktion. Beim Auslesen einer Transistor-Speicherzelle wird der resultierende Strom als Indikator für logisch NULL (üblicherweise viele Elektronen im Floating Gate) und logisch EINS (üblicherweise wenig oder fast keine Elektronen im Floating Gate) ausgewertet. Da im Idealfall die „gefangenen“‚ Elektronen auch nach beispielsweise zehn Jahren immer noch vorhanden sind, kann auch dann noch der einmal programmierte Zustand ausgelesen werden.

Überblick

Üblicherweise ändern sich Daten im Rechner in kurzen Abständen. Die Speicherzellen müssen also häufig umprogrammiert werden. Bei der Flash-Technik ist dazu eine Neu-Programmierung nötig. In einem separaten Arbeitsgang müssen die bisher gespeicherten Daten (immer blockweise) zuerst gelöscht werden. Bei einer höheren Spannung (Löschspannung) werden die gefangenen Elektronen blitzschnell (flash) aus dem Floating Gate „herausgepresst“.