Eine Speicherzelle ist ein Speicherelement für zwei Bits; kann also zwei Zustände speichern. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer 1-Bit-Speicherzelle, oder Bitzelle; es kann sich aber auch um eine Speichereinheit für 1 Byte handeln, also aus acht Speicherelementen bestehen.

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Speicherzelle eines MRAM mit freimagnetisierbarer und fester magnetischer Schicht

Je nach Speichertechnologie ist auch die Speicherzelle unterschiedlich konzipiert. So besteht die Speicherzelle eines DRAM oder FRAM aus einem Transistor, in aller Regel ein Feldeffekttransistor (FET), der als Schalttransistor arbeitet, und einem Kondensator, in dem die Ladung gespeichert wird. Solche Speicherzellen werden als 1T1C-Speicherzellen bezeichnet. Es gibt allerdings auch Speicherzellen, die aus zwei Transistoren und zwei Kondensatoren bestehen, die heißen 2T2C-Speicherzellen. Der Transistor einer Speicherzelle wird über zwei Leitungen gesteuert: die Bitleitung und die Wortleitung. Im Falle der Ladungsspeicherung wird der Transistor über die beiden Steuerleitungen geschaltet und lädt den Kondensator über die Schreib-/Leseverstärker. Ausgelesen wird die Ladungsinformation in umgekehrter Richtung. Der Ladungszustand wird an die I/O-Logik übergeben.

1T1C-Speicherzelle, ein Transistor, eine Kapazität

Eine Flash-Zelle arbeitet mit einem MOSFET, der sich durch seine Hochohmigkeit auszeichnet. Ein solcher MOSFET besteht aus drei Siliziumflächen, dem Gate, der Drain und der Source. Über einen solchen hochohmigen Schalter wird ein Kondensator geladen. MOSFETs erreichen im Gegensatz zu bipolaren Transistor einen stabilen Zustand, der leitend oder nichtleitend sein kann. Da aber an das Gate weitere Schaltungskomponenten angeschlossen sind, entlädt sich das Gate, sobald die Schaltung nicht mehr mit Strom versorgt wird. Dies wird bei der Flash-Speicherzelle dadurch verhindert, dass in die nichtleitende Isolierschicht zwischen Gate und Substrat eine weitere Elektrode eingebaut wird, das Floating-Gate. Es hat keinen Anschluss und fungiert als Ladungsspeicher. Sobald man eine Ladung auf das Floating-Gate aufgebracht hat, bleibt sie dort erhalten und verhindert das Abfließen der Kondensatorladung. Dadurch behält der Flashspeicher auch nach dem Ausschalten seinen Zustand.

Das Floating-Gate selbst wird mit einem quantenmechanischen Effekt gesteuert, bei dem durch eine höhere positive Spannung ein Tunnel gebildet wird, über den einige Elektroden aus dem Source-Gate zum Floating-Gate wandern.