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Wie funktioniert ein USB-Stick?

Seit Beginn des neuen Jahrtausends sind USB-Sticks als Speichermedien nicht mehr wegzudenken. Zu Anfang war ein Speicherstick noch recht teuer und eine Anschaffung wollte gut überlegt sein. Darüber hinaus war die Speicherkapazität der Sticks noch nicht besonders groß. Im Laufe der Zeit wurde aber die Größe minimiert, die Speicherkapazität maximiert und der Preis deutlich reduziert. Heute sind USB-Sticks Werbegeschenke und aus unserem Computeralltag nicht mehr wegzudenken.

Mobile Speichermedien im Alltag

Im Alltag begegnet uns ein Speicherstick heute in vielen Situationen. Am Arbeitsplatz verrichten die kleinen Helfer ihre Aufgabe bei der Sicherung und Übertragung von Daten. Der Stick ist aus dem modernen Büro nicht mehr wegzudenken. Dank hoher Speicherkapazität und schnellem USB 3.0 Zugriff sind viele Daten schnell und unkompliziert auf das Medium gespeichert und übertragen. Auch als schnelles Werbegeschenk, mit hohem Nutzwert für Ihre Kunden, bietet sich der mobile Speicher bestens an.

USB-Kugelschreiber RS810 USB-Kugelschreiber RS901

Innerhalb weniger Tage sind USB-Sticks mit Firmenaufdruck heute bedruckt und verschickt. Aber auch im privaten Bereich sind die mobilen Datenträger immer wichtiger. Um Daten von einem PC auf den anderen zu übertragen oder die Diashow zu Freunden mitzunehmen, gibt es kein besseres Medium.

Innovative Speichertechnologie in kleinem Gehäuse

Die kleinen Speichermedien sind dabei ein Wunder der Technik und enthalten auf kleinstem Raum neueste innovative Technik. In den folgenden Absätzen erfahren Sie, was es mit Flash-Speicher, Tunneleffekt, Source und Drain auf sich hat und warum der Transistor auch heute noch zu den größten Errungenschaften in der Elektrotechnik gehört. Hier erfahren Sie, was in den einzelnen Speicherzellen steht, wie es dorthin gelangt und was die Quantenphysik damit zu tun hat.

Innovative Speichertechnologie in kleinem Gehaeuse
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Dabei wird jede USB-Stick Funktion möglichst einfach erklärt, um auch dem Laien einen Einblick in die Technik zu geben.

Aufbau des USB-Sticks

Zum Speichern der Daten enthält ein USB-Stick Flash-Speicherzellen aus einem Halbleitermaterial wie Silizium. Jede dieser Zellen auf diesem Speicher arbeitet wie ein Transistor, der die Zustände 1 und 0 speichern kann. Auf dem Halbleitermaterial befindet sich das sogenannte Floating Gate. Das ist der eigentliche Ort, an dem die Daten gespeichert werden.

USB-Stick aus Kunststoff und Metall RS535 USB-Stick aus Kunststoff und Metall RS546

Damit Daten, die dort gespeichert werden sollen, nicht verloren gehen, ist es durch eine Isolation vom restlichen Teil des Speichersticks getrennt. Es sitzt zwischen zwei sehr leitfähigen Bereichen, dem Source (Quelle) und dem Drain (Senke).

USB-Stick aus Metall RS393 USB-Stick aus Metall RS397

Das Floating Gate ist mit dem Steuer Gate verbunden, über das eine Spannung angelegt werden kann. Diese Spannung am Steuer Gate führt zu Stromfluss zwischen Source und Drain. Dadurch entsteht eine Ladungsverschiebung, die einen Zustand auf den Flash Speicherzellen speichert.

Datenspeicher mit Tunneleffekt

Um auf dem USB-Stick die Funktion zum Speichern von Daten zu aktivieren, wird der Tunneleffekt genutzt. Dieser physikalische Effekt kommt aus der Theorie der Quantenmechanik. Dabei wird die an einer Isolationsschicht anliegende Spannung soweit erhöht, bis Elektroden die Isolationsschicht, die sie eigentlich nicht überwinden können, passieren. Man spricht dann davon, dass die Elektronen durch die Isolation hindurch tunneln.

USB-Stick aus Leder RS367 USB-Stick aus Leder RS417

Bei einer hohen positiven Spannungsdifferenz von etwa 10 bis 13 Volt zwischen dem Floating Gate und der Spannung zwischen Source und Drain verstärkt sich die Bewegungsenergie der Elektronen so weit, dass die Elektronen durch die Isolationsschicht tunneln können. Dadurch wird das Gate teilweise negativ geladen.

USB-Schluessel RS359 USB-Schluessel RS482

Durch die immer stärkere negative Ladung wird es immer schwerer für nachfolgende Elektronen, die Isolationsschicht zu durchbrechen. Das bewirkt, dass nur eine bestimmte Menge Elektronen übertragen werden. Wird die Spannung wieder abgebaut, sind die Elektronen durch die Isolationsschicht im Gate dauerhaft gespeichert. Durch diese Funktion wird also Information auf den Stick geschrieben.

USB-Stick aus Holz RS467 USB-Stick aus Holz RS468

Daten aus dem Flash-Speicher lesen

Die USB-Stick Funktion zum Lesen von Daten aus dem Flash-Speicher ist einfacher realisiert. Hierbei wird eine kleine positive Spannung zwischen Quelle und Senke angelegt und der Strom gemessen. Befindet sich im Gate kein Elektron, wirkt keine Kraft auf das Spannungsfeld und der Strom kann fließen. Dies entspricht dem Zustand 0. Ist allerdings ein Elektron vorhanden, wirkt dessen Kraft entgegen dem Spannungsfeld und es kann kein Strom fließen. Somit wird auch kein Strom gemessen. Dies entspricht dem Zustand 1. Durch die verschiedenen Zustände der Transistoren wird die Funktion zum Abbilden von Daten realisiert. Dies funktioniert, indem verschiedene Zustände zu Gruppen zusammengeschlossen werden.

Daten aus dem Flash-Speicher lesen
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Daten aus 1 und 0

Ein Speicherstick enthält eine Vielzahl von Speicherzellen. Jede einzelne Zelle kann, wie oben beschrieben, den Zustand 1 oder 0 annehmen. So eine binäre Speicherzelle besteht aus einem Transistor und heißt Bit. Die einzelnen Zellen werden zu jeweils acht zusammengefasst und bilden dann ein Byte.

USB-Stick als Karte RS469 USB-Stick als Karte RS471

Ein Speicherstick mit 1 GByte Speicherkapazität hat somit 8 Milliarden einzelne Transistoren, die jeweils den Zustand 1 oder 0 speichern können. Durch das Zusammenfassen von jeweils acht einzelnen Zellen zu einem Byte entsteht der Binärcode. Damit funktioniert es auch komplexere Daten wie Texte, Musikdateien, Fotos oder Videos in den Speicher zu schreiben und wieder auszulesen.

Löschen von Daten

Die Funktion zum Löschen der Daten arbeitet mit derselben Technik wie das Schreiben. Bei dieser USB-Stick Funktion wird allerdings eine hohe negative Spannung zwischen dem Floating Gate und der Siliziumschicht angelegt. Dadurch entsteht eine hohe Bewegungsenergie der Elektronen im Gate.

Loeschen von Daten
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Diese Energie bewirkt, dass die Elektronen nun in die andere Richtung, aus dem Gate heraus, durch die Sperrschicht tunneln können. Diese Funktion führt dann zu einem Löschen der gespeicherten Zustände. Auch hierbei funktionieren also die durch die Quantenmechanik hergeleiteten physikalischen Effekte.