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USB-Memory-Stick FAQ: Wie funktionert Flash-ROM?


USB-Memory-Sticks enthalten nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher. Das sind Speicherchips, die ihre Information auch ohne Stromversorgung behalten. Wohl alle USB-Sticks benutzen dafür Flash-ROM. In der Kurzfassung funktioniert Flash-ROM so:

Eine Flash-ROM-Zelle (nach Intel)
  • Jedes Bit wird in einem eigenen Feldeffekttransistor (FET) gespeichert.
  • Jeder FET besteht aus zwei Strom führenden Elektroden (Source und Drain) sowie der Steuerelektrode (Gate).
  • Source und Drain sind kleine, eng benachbarte Gebiete (z.B. 100 nm Abstand), die durch den Zusatz von Dotierungsstoffen eine andere Art von Leitfähigkeit (n, p) haben als das Chip-Grundmaterial (Substrat).
  • Beim Übergang von der einen Leitfähigkeitsart zur anderen entsteht eine dünne, nicht leitfähige Schicht (PN-Übergang oder Sperrschicht). Mit einer Spannung bestimmter Polarität läßt sich die Sperrwirkung aufheben – es fließt ein Strom der entsprechenden Richtung. Polt man die Spannung um, kann kein Strom fließen – genau so funktioniert eine Diode.
  • Ohne weitere Maßnahmen könnte zwischen Source und Drain überhaupt kein Strom fließen, weil immer nur eine der Sperrschichten in Durchlaßrichtung betrieben wird.
  • Hier kommt das Gate ins Spiel: Wird hier eine Spannung angelegt, kann es an der Oberfläche des Substrates den Leitfähigkeitstyp umkehren: Vom Gate geht ein elektrisches Feld aus, das zwischen Source und Gate einen n-leitenden Kanal entstehen läßt. Source und Drain werden also mit einem ohmschen Widerstand verbunden, Source und Drain haben eine gemeinsame Sperrschicht gegenüber dem Substrat.
  • Im Flash-ROM erhält jeder Speicher-FET ein Gate aus zwei Schichten: Die untere, das schwebende Gate (floarting gate), ist ringsherum von einer Isolierschicht aus Silizium-Dioxid (Quarz) umgeben. Die Ladung dieser Elektrode ist das eigentliche Speichermedium.
  • Die obere Elektrode (control gate) wird zum Beschreiben und Auslesen benutzt. Der Beschreibvorgang nutzt den s.g. Tunneleffekt, bei dem Elektronen die extrem dünne Isolierschicht (kaum mehr als 100 Atomlagen) zwischen schwebendem Gate und Source überwinden können. Die Details lassen sich nur mit höherer Mathematik, dem Quanteneffekt und dem Teilchen-Welle-Dualismus von Elektronen beschreiben – das schenke ich mir hier.
  • Die elektrischen Felder beider Gates überlagern sich. So läßt sich bestimmen, wann der Source-Drain-Kanal öffnet, denn viele dieser Speicher-FETs sind parallel geschaltet und immer nur einer davon soll ja abgefragt werden.

Literatur

Benz, Benjamin; Feddern, Boi: Festplatte ade. Wie Flash-Speicher allmählich den PC erobert
In: c't 21/07, S. 100ff – Neben der grundsätzlichen grundsätzlichen Funktionsweise von Flash-Speicher werden hier Entwicklunsgtendenzen beschrieben und verschiedene Darreichungsformen bis hin zur Halbleiter-Fest"platte".
Brigham Young University: The Process of Fabricating a MOSFET
Eine Animation die beschreibt, wie das Basiselement heutiger Computerchips hergestellt wird. Ein paar Erklärungen dazu sind sicher noch hilfreich:
  1. Ein "p-doped, 100 silicon wafer" ist eine dünne Scheibe aus einem Silizium-Einkristall.
    p-doped bedeutet, dass ein winziger Teil der (4-wertigen) Silizium-Atome durch dreiwertige Atome wie Bor ersetzt wurde. Siehe das Periodensystem.
    100 bedeutet eine bestimmte Kristallorientierung. Während Silizium-Atome auf der äußersten Schale vier Elektronen besitzen, hat ein dreiwertiges Atom an dieser Stelle nur drei. Im Kristallgitter fehlt also ein Elektron, ein so genanntes Loch entsteht. Diese Löcher können durch den Kristall wandern, sind also nicht fest an das Dotierungsatom gebunden. So bekommt der Halbleiterkristall eine gewisse Leitfähigkeit.
  2. Ein Photoresist ist so etwas wie die lichtempfindliche Schicht eines Films. Mit seiner Hilfe, und der Belichtung bestimmter Muster, schützt man das darunter liegende Material vor dem nächsten Bearbeitungsschritt, in dem man z.B. Löcher in eine Siliziumoxid- (Quarz-) Schicht äzt.
  3. Phosphor ist ein fünfwertiges Element. Wenn man deutlich mehr 5-wertige Atome in den Siliziumkristall einbaut als da schon 3-wertige sind, wird aus p-dotiertem Silizium n-dotiertes. Ein 5-wertiges Atom besitzt auf seiner äußersten Schale fünf Elektronen. Eines davon passt nicht in das Kristallgitter und ist ähnlich beweglich wie das Loch oben. Zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Bereich entsteht eine Zone, in der sich freie Elektronen und Löcher kompensieren, die so genannte Sperschicht. Sie isoliert. Legt man aber an das Gate eine MOSFET-Transistors eine Spannung an, werden Löcher oder freie Elektronen vom elektrostatischen Feld angezogen. Die erzeugen dann eine Leitfähigkeit – durch den Transistor fließt Strom von Source nach Drain.
  4. Source und Drain sind die beiden n-dotierten Zonen im Kristall. Das Gate erzeugt das elektrostatische Feld, mit dem (durch das isolierende Gate-Oxid hindurch) ein Kanal zwischen Source und Gate geöffnet werden kann.
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Alexander von Obert * http://www.techwriter.de/beispiel/usb-mem1.htm
Letzte Änderung: 10.01.11 (bereinigt)


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