Speicherzelle Was ist ein Floating-Gate-Transistor (FGT) / Floating-Gate-MOSFET (FGMOS)?

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Floating-Gate-Transistoren gehören zur Gruppe der Feldeffekttransistoren. Sie besitzen ein isoliertes Gate, das elektrische Ladungen über längere Zeit ohne Versorgungsspannung halten kann. Die elektrische Ladung repräsentiert die gespeicherte Information. Die Transistoren werden für nicht-flüchtige Speicher verwendet. Sie unterliegen aber Alterungseffekten und sind nicht unendlich oft wiederbeschreibbar. Auch die Ladungsspeicherung ist auf maximal einige Jahre begrenzt.

Beim Floating-Gate-Transistor (FGT) handelt es sich um einen speziellen Transistor, der zur Gruppe der Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (Isolated Gate FET) gezählt wird. Er wird auch als Floating-Gate-MOSFET, abgekürzt FGMOS (Floating Gate Metal Oxide Semiconductor), bezeichnet.

Entwickelt wurde der Floating-Gate-Transistor in den 1960er-Jahren in den Bell Laboratories. Floating-Gate-Transistoren sind in der Lage, elektrische Ladung im Floating-Gate über längere Zeiträume zu halten, ohne dass eine externe Versorgungsspannung anliegen muss. Die Transistoren werden als Speicherzellen zur Realisierung nicht-flüchtiger Speicher und für die permanente Speicherung von Daten eingesetzt.

Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise eines Floating-Gate-Transistors

Der grundsätzliche Aufbau eines Floating-Gate-Transistors ähnelt dem eines Feldeffekttransistors (FET). Er besitzt die äußeren Anschlüsse Drain (D), Source (S) und Control-Gate. Im Gate des Transistors befindet sich jedoch eine Ladungsfalle, die als Floating-Gate bezeichnet wird. Sie ist gegenüber den Anschlüssen Drain, Source und Control-Gate mit einer speziellen Oxidschicht elektrisch isoliert.

Das Floating-Gate kann elektrische Ladungen im spannungslosen Zustand ähnlich wie ein Kondensator halten, da die Oxidschicht ein Abfließen der Ladung verhindert. Durch das Anlegen einer erhöhten positiven Spannung an das Control-Gate wandern Elektronen aufgrund eines quantenmechanischen Tunneleffekts zum Floating-Gate, und die Ladungsfalle wird beschrieben. Das Anlegen einer negativen Löschspannung löscht die Ladung des Floating-Gate.

Die Leitfähigkeit des Transistors ist vom Ladungszustand des Floating-Gate abhängig. Gelesen wird der Ladungszustand eines Floating-Gate-Transistors, indem die benötigte Schwellenspannung gemessen wird, damit die Zelle leitfähig wird und ein Strom zwischen Drain und Source fließen kann. Die Lesespannung ist deutlich niedriger als die Schreib- beziehungsweise Löschspannung.

Verwendung von Floating-Gate-Transistoren

Floating-Gate-Transistoren werden für nicht-flüchtige digitale Speicher wie EPROMs, EEPROMs oder Flash-Speicher verwendet. Sie kommen als Speicherzellen in NAND-Flash-Speichern wie Speicherkarten, USB-Speichern oder SSDs in großen Massen zum Einsatz. Bei NAND-Flash sind die Floating-Gate-Transistoren seriell verschaltet und nur blockweise beschreib- und lesbar. Je nach Art der Speicherzellen speichern sie ein oder mehrere Bit an Informationen. Abhängig von der Anzahl der darstellbaren Bits je Speicherzelle werden sie als Single-Level-Cell (SLC), Multi-Level-Cell (MLC) oder Triple-Level-Cell (TLC) bezeichnet. Speichert die Zelle mehr als ein Bit an Informationen, repräsentieren die unterschiedlichen Ladungsniveaus des Floating-Gate die verschiedenen Bitzustände der Zelle. Für zwei Bit an Information sind vier verschiedene Ladungsniveaus notwendig.

Floating-Gate-Transistoren unterliegen einem Verschleiß und lassen sich nicht beliebig oft wiederbeschreiben. Die maximal zulässige Anzahl an Lösch- und Speicherzyklen, bevor eine Speicherzelle unzuverlässig wird, wird als Endurance bezeichnet. Verursacht wird dieser Verschleiß durch die Schädigung der Struktur der Zellen aufgrund der hohen Schreib-/Löschspannungen. Auch die Zeit, die eine Ladung ohne externe Versorgungsspannung erhalten bleibt, ist begrenzt. Diese Zeit wird als Retention bezeichnet und ist auf das spontane Abwandern von Ladungsträgern durch die isolierende Oxidschicht zurückzuführen.

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