Flash-Speicher. Einsatz, Aufbau, Funktionsweise

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Aufbau von Flash Speichern

3. Funktionsweise von Flash Speichern

4. Einsatzmöglichkeiten von Flash Speichern
4.1 USB Stick
4.2 Multi Media Card
4.2 Secure Digital
4.2 Compact Flash

5. Fazit

Literatur- und Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Aufbau MOFSET

Abb. 2: Aufbau MOFSET mit Floating Gate

Abb. 3: NOR und NAND Flash

Abb. 4: USB Stick

Abb. 5: MMC Cards

Abb. 6: SD Cards

Abb. 7: Compact Flash Cards

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Dank der aktuell auf dem Markt befindlichen Angebote von Flash Speichern dürfte der viel beschworene Nachfolger der Diskette endlich gefunden sein. Geringe Größe, leichte Handhabung, hohe Geschwindigkeit und Bootfähigkeit zeichnen die Komfortabilität dieser Geräte aus. Flash-Speicher sind in erster Linie dort zu finden, wo Informationen persistent, das heisst nicht flüchtig und ohne permanente Versorgungsspannung, gespeichert werden müssen.

Ziel der Arbeit ist es den Aufbau und das Funktionsprinzip von Flash Speichern vorzustellen sowie die Einsatzgebiete der Flash Speicher Technologie aufzuzeigen. Ein Fazit beendet die vorliegende Arbeit.

2. Aufbau von Flash Speichern

Beinahe alle Speicherkarten bedienen sich der Flash Speicher Technologie. Flash Speicher besitzen keine beweglichen Teilchen zur Speicherung der Daten, sondern halten die Daten auch dann, wenn keine Versorgungsspannung anliegt. Im Gegensatz zu magnetischen oder optischen Speichersystemen beeindrucken mechanische Erschütterungen den Flash Speicher nicht. Die zu speichernden Daten werden hierbei in einzelnen Speicherzellen durch die Ablage von Elektronen, die innerhalb eines speziellen Transistors, dem so genannten MOSFET, liegen, dauerhaft abgespeichert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Aufbau MOFSET (Quelle: Benz, 26/2006, S.138)

Ein MOSFET besteht im Wesentlichen aus drei Siliziumflächen, den Elektroden Drain und Source und dem Gate. Das schwach positiv geladene Trägermaterial

(p), auch Substrat genannt, trennt die beiden stark negativ (n) geladenen Elekt roden Drain und Source. Somit entsteht ein n-p-n Übergang, der erst einmal nicht leitet, da die freien Ladungsträger an den Übergängen miteinander rekombinieren und nicht mehr für den Ladungstransport zur Verfügung stehen (vgl. Benz, 26/2006, S.137).

Direkt oberhalb der n-Zone liegt das Gate, das durch eine sehr dünne Oxid schicht isoliert ist. Zusammen mit einem unterhalb des Substrats liegenden Anschluss, dem Bulk Anschluss, bildet es einen Kondensator. Um die Ladungsträger zu transportieren, muss der Kondensator über das Anlegen einer GateSource-Spannung aufgeladen werden. Liegt genug Spannung an, so entsteht im ursprünglichen p-Bereich ein Elektonenüberschuss, der einen Stromfluss zwischen Drain und Source zur Folge hat.

Eine wichtige Eigenschaft des MOSFET gegenüber herkömmlichen Transistoren ist, dass nur dann Strom benötigt wird, wenn der Kondensator geladen oder entladen werden soll. Somit behält ein MOSFET ohne einen statischen Strom seinen Zustand entweder leitend oder nicht leitend bei.

Da sich das Gate bei Spannungswegfall sofort wieder entladen würde, wird, um Informationen dauerhaft speichern zu können, zwischen Gate und Substrat direkt in die Oxidschicht eine weitere Elektrode, das Floating Gate, gelegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Aufbau MOFSET mit Floating Gate (Quelle: Benz, 26/2006, S.138)

Das Floating Gate repräsentiert die Ladungsfalle. Wird das Substrat auf das

Floating Gate gebracht, so kann es nicht mehr abfließen, das heißt der La-

dungszustand bleibt bei Spannungsfall erhalten. Da das Gate keinen Anschluss nach außen besitzt, erfolgt eine Ladungsänderung durch den quantenmechani- schen Tunneleffekt. Durch Spannungsanlage am Control Gate tunneln sich so mit Elektronen vom Source Gate zum Floating Gate. Da das Floating Gate, wie bereits erwähnt als Ladungsfalle dient, bleiben sie dort dauerhaft liegen, bis sie durch Anlage einer negativen Spannung abfließen können (vgl. Vielsbeck 2007, S. 7).

3. Funktionsweise von Flash Speichern

Während beim Löschen ganze Speicherblöcke, also Blöcke von Zellen von 256 Bytes bis zu 128 KBytes zurückgesetzt werden, erfolgt das Schreiben selektiv für jede einzelne Flashzelle (vgl. Woitowitz, Urbanski, 2007, S.274). Die Lese-, Schreib- und Löschvorgänge werden jeweils über 2-Byte-Befehle abgehandelt, die ein externer Mikroprozessor in das Befehlsregister der Flash Steuerung schreibt. Je nach Operation stehen verschiedene Befehle zur Verfügung. Um den Speicher auszulesen, wird die Read Memory Operation in Verbindung mit dem Auslesen des Indentifier Code ausgeführt. Sollen einzelne Daten gelöscht werden, so muss die Setup Erase/Erase Routine zusammen mit einer Verifizie- rungsroutine ausgeführt werden. Beim Daten Schreiben wird der Setup Pro- gram/Program Befehl zusammen mit der Verifizierungsroutine ausgeführt. Ein Reset Befehl setzt den Speicher in einen definierten Zustand zurück (vgl. Mess- mer, Dembowski, 2003, S.572).

Am Markt existieren mehrere Technologien, wie zum einen der NOR Flash, zum anderen der NAND Flash.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: NOR und NAND Flash (Quelle: c’t, 23/2006, S.138)

[...]