Flashspeicher

Physik Tunneleffekt

1.0 Begriffserklärung:

1.1 Einführung:

Lieber Leser, falls du gebildet bist überspringe bitte den nächsten Absatz. Der Computer speichert Daten in Bytes (1 Byte = 8 Bit) ab. Es gibt nur zwei Zustände, 0 oder 1. Daraus ergibt sich ein interpretierbarer Code, den der Computer ausführen kann.

Ganz einfach erklärt gibt sich daraus der Zustand, Strom < > Nichtstrom bzw. Spannung < > keine Spannung.

1.2 Flash-Speicher:

Der Flash Speicher ist ein Speicherbaustein mit hoher Datendichte auf minimalphysischem Platz. Daten können permanent ohne dauerhafte Stromzufuhr gespeichert werden.

Der Begriff Flash entstammt dem Vorgang des Löschens zu Beginn des Flash-Speichers. Hier musste der gesamte Speicher mit Licht gelöscht, also „geflashed“ werden. Heute ist es Möglich einzelne Speicherbereiche unabhängig voneinander zu löschen.

1.3 Dotieren

Das Dotieren bezeichnet das Einbinden von Fremdatomen in ein bestehendes Gitter um somit freie Elektronen bzw. Elektronenlücken (-löcher) zu schaffen. Durch das Dotieren wird die Leiteigenschaft eines Stoffes hergestellt. Man unterscheidet zwischen p- und n-dotierten Leitern. P-dotierte Leiter haben einen Elektronen Mangel, N-dotierte Leiter einen Elektronen Überschuss. Die einfachste Anwendung eines Halbleiters ist die Diode.  Drain „Stromabfluss“  Source Stromquelle  Floating Gate eigentliche Speicherzelle  Control Gate

hier kann er als Steuerstromkreis betrachtet werden 3 | S e i t e

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2.0 Halbleiterspeicher

2.1 Übersicht

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2.2 physikalischer Hintergrund

Halbleiter sind Leiter, welche aus zwei Stoffen, einem Isolator und einem leitenden Metall, aufgebaut sind.

Abb 1: Transistor im leitenden Zustand

Abb 2: Transistor im „sperrenden“ Zustand

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3.0 Aufbau des Flash Speichers

Abb 3: Flash Speicherbaustein

Der Flashspeicher bedient sich der Halbleitertechnik. Im zugrunde liegt ein NPN dotierter Halbleiter, welcher die Basis darstellt. Die Oxidschicht ist ein Isolator, dessen Breite ca. 200 Atome misst. Die obrige Darstellung zeigt einen einzelnen Speicherbaustein.

Der NPN- dotierte Halbleiter ist ein Transistor. Zusammen mit dem Controlgate bildet der Halbleiter einen Kondensator, in dessen „Zwischenraum“ (Floating Gate) Daten gespeichert werden können.

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4.0 Funktionsweise

4.1 Grundüberlegungen

Daten (in Form von Elektronen) soll in einem bestimmten isolierten Bereich eines Speicherraumes abgelegt werden.

 Wir wollen die Daten dauerhaft speichern und deswegen muss der Speicher permanent (nicht-flüchtiger) sein.

 Der oben angesprochene Bereich, in welchem die Daten (in Form von Elektronen) gespeichert werden, muss aufgrund seiner nicht-flüchtigen Beschaffenheit durch einen Isolator/Nichtleiter isoliert werden.

 Laut Mechanischer Physik stellt ein Isolator für ein Elektron eine unüberwindbare Barriere dar.

 Mithilfe der Quantenphysik können diese Elektronen die „unüberwindbare“ Barriere passieren, der sog. Tunneleffekt, Daten können durch Tunnel gespeichert werden.

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4.2 der Tunneleffekt

Abb.: 4 Veranschaulichung des Tunneleffekt

simple Erläuterung:

Problem: Der Boppel muss über den Berg Lösung: Mithilfe von Körperlicher Anstrengung können wir den Boppel über den Berg rollen. Eine gewisse Kraft ist daher von Nöten.

In der mechanischen Physik stellt der Berg ein Potential dar. Um das Potential zu überwinden muss dem Boppel mehr kinetische Energie zugefügt werden, als das Potential groß ist.

Kinetische und Potentielle Energie sind linear und zwar in folgender Abhängigkeit: Die Kinetische Energie nimmt im gleichen Maße ab, wie die Potentielle Energie zunimmt.

Ist die Kinetische Energie kleiner als das Potential, kann das Potential nicht überwunden werden. Die Folgerung, der Boppel muss in jedem Fall mehr kinetische Energie mitbringen als das Potential groß ist. Eges = Ekin + Epot

Die Quantenphysik geht davon aus, dass das Potential nicht unbedingt überwunden werden muss, wenn Ekin >= Epot, das Potential kann dann auch „durchtunnelt“ werden.

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Es gibt eine gewissen Wahrscheinlichkeit für den Tunneleffekt, umso größer und breiter die Potentialbarriere ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit der Durchtunnelung.

Laut quantenphysikalischen Errungenschaften gilt folgende Formulierung. Wir werden diese These nicht näher Erläutern, da es den Rahmen der Facharbeit sprengen würde, sondern nehmen diese Erkenntnis als faktisch richtig hin.

Wenn man eine Welle gegen eine Potentialbarriere „schießt“ durchdringt ein Teil dieser Welle die Barriere. Dieses Durchdringen hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit. Diese Wahrscheinlichkeit hängt von der „Höhe“ und „Breite“ der Barriere und von der Energie der darauf prallenden Welle ab.

4.2.1 Schrödinger-Gleichung

Schrödinger formulierte eine Wellenfunktion in einer Gleichung:

in vereinfachter Form:

Beschreibt die Art des Teilchens und der Felder, in denen es sich aufhält: Abhängigkeit zum Ort

ħ = (h quer) ist Bestandteil des Wirkungsquatums

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m = Masse (vgl. klassische Bewegungsgleichung

∆ = Nabla (Ableitung nach allen Raumkoordinaten)

da ∆ ² = bedeutet doppelte Ableitung sprich Ekin ist abhängig von der Krümmung der Welle

V = gesamte potentielle Energie

4.2.3 Energie Operator (E)

Beschreibt die Energie des Teilchens abhängig von der Zeit:

= Wurzel aus -1 (imaginäre Zahl)

= die Zeitabhängigkeit

 Folgerung: Wir haben zwei Komponenten, eine Realkomponente und eine Imaginärkomponente.

4.2.4 Schlussfolgerung

Die Schrödinger gibt also die Wahrscheinlichkeit des Aufenthaltsortes des Elektrons an.

Wir beziehen uns jetzt auf die obige Worterklärung, zu Erinnerung: „Kinetische und Potentielle Energie sind linear und zwar in folgender Abhängigkeit: Die Kinetische Energie nimmt im gleichen Maße ab, wie die Potentielle Energie zunimmt.“

Hier haben wir nun aber einen entscheidenden Unterschied zu der vorigen Überlegung:

Die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns (Aufenthaltsort hinter der Barriere) und die Beschaffenheit der Barriere ( „Breite“ des Potentials) sind nicht mehr linear abhängig, sondern exponentiell:

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Die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns nimmt zur Breite der Potentialbarriere exponentiell ab. Sprich umso höher oder breiter die Barriere ist, desto unwahrscheinlicher ist die Möglichkeit des Tunnelns. Z.b: bei doppelter Breite benötigt man die vierfache Energie um die Selbe Wahrscheinlichkeit des Tunnelns zu erreichen.

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4.3 Anwendung auf den Flashspeicher

Wir gehen in folgender Veranschaulichung von einem Elektron, welches getunnelt werden kann aus, da es die Erklärung vereinfacht.

Abb. 5: Speichern in Zelle

anliegt werden die Elektronen vom Control Gate angezogen und hochgetunnelt. In dem Floating Gate ist nun ein Elektron hochgetunnelt, dadurch entsteht ein negatives Potential zwischen Floating Gate und der Source Drain Strecke. Einfach gesagt, das negative Potential wird deswegen so groß, da sich das hochgetunnelte Elektron und die Elektronen auf der Source Drain Strecke sich gegenseitig abstoßen. Diese Abstoßung verhindert, dass weitere Elektronen hochgetunnelt werden können. Rückbezug auf Themenpunkt 4.2.4:

Eine kleine Veränderung des Potentialgleichgewichts, d.h. dass die Potentialbarriere sich geringfügig erhöht verhindert eine weitere Tunnelung, da diese von einem speziellen Wert der Barriereverhältnisse („Höhe, Breite und Größe“) abhängig ist. Vgl. Abhängigkeit des Hamillton-Operators.

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Abb. 6: isolierter Zustand

Abb.7: Löschen der Speicherzelle

Es ist also die Energie (12 V <=> 0 V) erforderlich, da das Elektron diese Energie benötigt um die Potentialbarriere zu überwinden (vgl. 4.2)  Folgerung: Die Spannung ist Abhängig von dem Energie Operator aus der Schrödinger Gleichung

4.4 Entdecker (Nobelpreis)

Leo Esaki und Ivar Giaever haben 1973 den Physiknobelpreis erhalten für die Entdeckung des Tunnelphänomens.

Esaki im speziellen hat die nach ihm benannte Esaki-Diode entwickelt, welche den Tunneleffekt ausnützt.

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5.0 Literaturverzeichnis

5.1 Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Transistor im leitenden Zustand (30.10.2008)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/7/73/Transistor_animation.gif

Abb. 2: Transistor im „sperrenden“ Zustand (30.10.2008)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/7/73/Transistor_animation.gif

Abb. 3: Flash Speicherbaustein (30.10.2008)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d3/FLASH_RAM-Cell.svg

Abb. 4 Veranschaulichung des Tunneleffekts (30.10.2008) www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/bilderWissenschaft/2007/0 4/Krausz0701/Web_Zoom.jpeg

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5.2 Literaturverzeichnis

Malfitano, G. bullhost. (30.10.2008)

http://www.bullhost.de/f/flash-memory.html

Wikipedia (30.10.2008)

http://de.wikipedia.org/wiki/Flash-Speicher http://de.wikipedia.org/wiki/Halbleiter

Joachim Schulz (30.10.2008)

www.quantenwelt.de/quantenmechanik/wellenfunktion/schrodingergleichung.html

Titel: RAM, ROM, EEPROM, BIOS

Autor: Aline Zaugg Fach: Informatik - Technische Inf.

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