Die Flash-Speicherzelle

Eine Flash-Speicherzelle ist im Kern ein MOSFET mit einer zusätzlichen, elektrisch isolierten Gate-Elektrode – dem Floating Gate. Es liegt zwischen dem regulären Control Gate und dem Kanal, vollständig umschlossen von Siliciumdioxid: nach unten durch das dünne Tunneloxid (wenige Nanometer) zum Kanal getrennt, nach oben durch ein dickeres Zwischenoxid vom Control Gate isoliert.

Weil das Floating Gate keinen elektrischen Kontakt nach außen hat, bleibt Ladung, die einmal darauf gebracht wurde, über Jahre gespeichert – das ist das Grundprinzip der nichtflüchtigen Speicherung.

Um eine Zelle zu programmieren (Ladung auf das Floating Gate zu bringen), nutzt man je nach Zelltyp Hot-Electron-Injection oder Fowler-Nordheim-Tunneling: Bei Hot-Electron-Injection beschleunigt ein hohes Drain-Source-Feld Elektronen so stark, dass einige die Energie besitzen, die Oxidbarriere zu überwinden und auf dem Floating Gate eingefangen zu werden.

Fowler-Nordheim-Tunneling nutzt stattdessen ein sehr hohes elektrisches Feld über dem Tunneloxid, das Elektronen quantenmechanisch durch die Barriere tunneln lässt – dieser Mechanismus wird typischerweise für den Löschvorgang verwendet, bei dem die Ladung wieder vom Floating Gate entfernt wird. Die gespeicherte Ladung verschiebt die Schwellspannung der Zelle messbar, wodurch beim Auslesen zwischen „0“ und „1“ unterschieden werden kann.