IBM System Storage-Kompendium

Technologie-Anhang
Das Floating Gate ist elektronisch vollständig von allen
anderen Komponenten durch eine Oxydschicht isoliert,
damit die gespeicherte Ladung, also die Information auf der
Datenzelle darunter, auch wirklich in ihr gespeichert bleibt
und auch über längere Zeit nicht verloren gehen kann.
Unter normalen Umständen wäre durch diese Isolation eine
Übertragung nicht möglich, da die Isolation sie blockieren
würde. Der Flash­Speicher bedient sich deshalb des sogenannten
Tunneleffekts aus der Quantenmechanik, der es
ermöglicht, Ladungen auch durch ein nicht­leitendes Material
zu übertragen. Das Floating Gate wird je nach Menge
der aufgenommenen Elektronen zu einem elektronischen
Drosselventil für die Transistorfunktion. Beim Auslesen einer
Transistor­Speicherzelle wird der resultierende Strom als
Indikator für logisch „0“ (viele Elektronen im Floating Gate)
und logisch „1“ (wenige oder fast keine Elektronen im Floating
Gate) ausgewertet. Ein geladenes „Floating Gate“
reflektiert also „0“ und ein ungeladenes wird als „1“ gewertet.
Eine andere Zuordnung wäre möglich, wurde aber nie
angewandt. Jedes einzelne Bit wird damit über das „Floating
Gate“ übertragen. Für das erneute Beschreiben einer
bereits mit Information bestückten Datenzelle ist das vorhergehende
Löschen dieser notwendig. Der Grund hierfür ist,
dass man die Bits in einem Flash­Speicher immer nur von 1
nach 0 verändern kann. Nur ein Löschvorgang ermöglicht
es, diesen Zustand in die andere Richtung zu ändern.
Die schematische Abbildung „Aufbau einer Flash­Speicher­
zelle mit Floating Gate“ zeigt, wie das Floating Gate eine
Ladungsfalle bildet, in der die elektrische Ladung gespeichert
wird. Es liegt in einer Oxidschicht unterhalb des Control
Gates und verhindert im Normalfall den Ladungsabfluss
zu den N­ und P­Schichten (N = stark negativ dotierte Elektroden
Drain und Source, P = stark positiv dotiertes Substrat).
Die Ladung auf dem Floating Gate bildet über ihr
elektrisches Feld einen leitenden Kanal zwischen Drain und
Source, über den die Ladung ausgelesen wird. Das
Löschen erfolgt blockweise. Durch Anlegen einer negativen
Löschspannung werden die Ladungsträger aus dem Floating
Gate herausgetrieben.
Weitere Überlegungen
Flash­Speicher sind stromunabhängig und unterscheiden
sich deshalb grundsätzlich von stromabhängigen (volatile)
RAM­Bausteinen (Random Access Memory), denn die im
RAM­Hauptspeicher eines Computers gespeicherte Informationen
bleiben immer nur solange erhalten, wie der
Computer läuft. Ist der Computer ohne Strom, verlieren
RAM­Module die Fähigkeit, Daten zu speichern.
Ein klassich bipolarer Transistor benötigt Strom für mehrere
Funktionen. Zum einen werden Elektronen aus Siliziumflächen
des Transistors herausgelöst, um damit den Schaltzustand
zu verändern. Informationen werden auf diese Weise
gespeichert oder gelöscht. Zum anderen wird der Strom in
Form von „Refresh“­Impulsen benötigt, um den erreichten
Zustand zu stabilisieren.
MOSFETs hingegen sind in der Lage, mittels einer dünnen
Oxidschicht einen kleinen Kondensator aufzubauen, der
über ein einmal aufgebautes elektrisches Feld Ladungsträger
zwischen den Siliziumschichten transportiert. Dadurch
baut sich Spannung auf, bis ein Grenzwert erreicht wird. In
der Folge entsteht ein dünner leitender Kanal, der ohne
„Refresh“­Impulse stabil bleibt. MOSFETs benötigen also nur
Strom, um den Kondensator zu laden oder zu entladen,
während im anderen Fall Strom dauerhaft zugeführt werden
muss, um die Leitfähigkeit in einem stabilen Zustand zu halten
und die gespeicherte Information zu erhalten.
NAND-Architektur
Die Bezeichnung NAND, die den NAND­Flash­Speicher
beschreibt, kommt eigentlich aus der Aussagenlogik. Hier
wird ein Gatter beschrieben, das eine bestimmte UND­Verknüpfung
darstellt (Not AND = NAND). In die Welt der Elektronik
umgewälzt bedeutet es, dass die Speicherzellen auf
einem Flash­Speicher seriell geschaltet sind, also auf verschiedenen
Datenleitungen hintereinander gereiht sind.
Dabei werden die Metall­Oxid­Halbleiter­Feldtransistoren
über ein NAND­Gatter miteinander verbunden. Der große
Vorteil dieser Architektur ist, dass nur eine geringe Anzahl
an Datenspuren benötigt werden, da eine Spur mehrere
Speicherzellen enthält. Im Vergleich zur NOR­Architektur
kann somit eine Platzersparnis der Speicherzellen von weit
über 50 % erzielt werden.
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