Existen muchas similitudes entre la memoria flash y la DRAM, así como la memoria ROM. La diferencia fundamental radica principalmente en la estructura de la propia célula elemental. Si en la memoria dinámica la celda elemental es un condensador; entonces en la memoria flash el papel de una celda de memoria lo desempeña un transistor CMOS de una arquitectura especial. Y si en un transistor CMOS convencional hay tres electrodos (drenaje o drain, fuente o source y puerta o gate)MOSFET; entonces en el transistor flash (en el caso más simple) se agrega otra puerta, llamada flotante(ver Transistor de Puerta Flotante).
Los transistores CMOS se utilizan principalmente para aplicaciones de lógica digital de alta velocidad y operaciones de conmutación de alta velocidad necesarias en los circuitos lógicos. Por ejemplo la CPU de computadora, chips de memoria y otros circuitos integrados que dependen de la lógica digital para realizar sus tareas asignadas.
Al principio, será apropiado considerar nuevamente el principio mismo de la unión pn en los semiconductores. Una unión de hueco de electrones es una región del espacio en la unión de dos semiconductores de tipo p y n; en la que se produce una transición de un tipo de conductividad a otro. La unión pn es la base de diodos semiconductores, triodos y otros elementos electrónicos con una característica corriente-voltaje no lineal.
En un semiconductor tipo p, la concentración de huecos es mucho mayor que la concentración de electrones. En un semiconductor de tipo n, la concentración de electrones es mucho mayor que la concentración de huecos. Si se establece un contacto entre dos de estos semiconductores, entonces surgirá una corriente de difusión; los portadores de carga, que se mueven caóticamente, fluyen desde el área donde hay más de ellos al área donde hay menos. Con esta difusión, los electrones y los huecos se cargan con ellos. Como consecuencia, la región del límite se cargará y la región del semiconductor de tipo p; que está adyacente a la interfaz, recibirá una carga negativa adicional aportada por los electrones; y la región del límite del semiconductor de tipo n recibirá una carga positiva introducida por los agujeros. Así, la interfaz estará rodeada por dos áreas de carga espacial de signo opuesto.
El campo eléctrico que surge de la formación de regiones de carga espacial; provoca una corriente de deriva en la dirección opuesta a la corriente de difusión. Al final, se establece un equilibrio dinámico entre las corrientes de difusión y deriva y se detiene el flujo de carga. Si se aplica un voltaje externo de modo que el campo eléctrico creado por él se dirija en sentido opuesto a la dirección del campo eléctrico entre las regiones de carga espacial; entonces se viola el equilibrio dinámico y la corriente de difusión prevalece sobre la corriente de deriva, aumentando rápidamente al aumentar el voltaje. Esta conexión de voltaje a la unión pn se llama polarización directa.
Si se aplica un voltaje externo de modo que el campo creado por él esté en la misma dirección que el campo entre las regiones de carga espacial; esto sólo conducirá a un aumento en las regiones de carga espacial y la corriente no fluirá a través de la unión pn. Esta conexión de voltaje a la unión pn se llama polarización inversa. Un transistor CMOS convencional puede estar en dos estados: abierto y cerrado. En tal transistor, las regiones de drenaje y fuente tienen conductividad electrónica (región n) y la región de puerta tiene conductividad de hueco (región p). El transistor en sí está hecho en un semiconductor tipo p con conductividad de agujero.
Debido a la difusión de huecos desde la región p a la región n; la difusión inversa de electrones desde la región n a la región p; se forman capas agotadas en los límites de las transiciones de las regiones p y n (capas en las que no hay portadores de carga mayoritarios); impidiendo el flujo de corriente. En la posición normal, cuando no se aplica voltaje a la puerta o se aplica un potencial negativo, el transistor está en el estado apagado; es decir, no puede conducir corriente desde la fuente al drenaje. La situación no cambia, incluso si se aplica un voltaje entre el drenaje y la fuente (esto no tiene en cuenta las corrientes de fuga causadas por el movimiento bajo la influencia de los campos eléctricos generados de los portadores de carga minoritarios, es decir, huecos para la región n y electrones para la región p).
Principio de Funcionamiento del Transistor CMOS
Sin embargo, si se aplica un potencial positivo a la puerta, la situación cambiará radicalmente. Bajo la influencia del campo eléctrico de la puerta, los agujeros se introducen profundamente en el semiconductor p; mientras que los electrones, por el contrario, son atraídos hacia la región debajo de la puerta; formando un canal rico en electrones entre la fuente y el drenaje. Si se aplica un voltaje positivo a la puerta, estos electrones comienzan a moverse de la fuente al drenaje. En este caso, el transistor conduce corriente; dicen que el transistor se abre. Si se elimina el voltaje de la puerta, los electrones dejan de ser atraídos hacia la región entre la fuente y el drenaje; el canal conductor se destruye y el transistor deja de pasar corriente, es decir, se cierra.
En el estado abierto, el voltaje entre el drenaje y la fuente es cercano a cero; en el estado apagado, este voltaje puede alcanzar un valor alto. La situación en este caso es similar a las celdas ROM con conductores abiertos y cerrados. El estado cerrado del transistor corresponde a un conductor abierto y puede interpretarse como una unidad lógica; el estado abierto del transistor corresponde a un conductor cerrado y puede interpretarse como un cero lógico.
El único problema es que para establecer un cierto estado al transistor, es necesario suministrar un voltaje de control a la puerta; es decir, esta estructura le permite escribir información (establecer el valor de cero o uno); pero no permite almacenar esta información, ya que en ausencia de voltaje en la puerta su estado siempre se vuelve cerrado. Por lo tanto, es necesario idear un método de este tipo; para que la capacidad de estar en el estado abierto o cerrado del transistor permanezca todo el tiempo que desee. Para ello, se agrega una puerta flotante a los transistores utilizados en la memoria flash; que sirve para almacenar la carga (electrones) por un tiempo ilimitado.
