Ячейка с многослойным затвором -- наиболее старый и одновременно простой тип ячейки памяти EEPROM. В основе ее лежит полевой транзистор, имеющий, впрочем, некоторое отличие от классического аналога в виде еще одного, так называемого плавающего затвора. Этот затвор является неотъемлемой частью всех модификаций flash-памяти: он играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение. На плавающий затвор путем двух квантовых процессов помещаются заряды с разными значениями, которые влияют на поле основного, или управляющего затвора

Таким образом, состояние транзистора (проводящее или непроводящее) зависит в данном случае сразу от обеих баз. Плавающий затвор изолируется от стока, истока и управляющего затвора тончайшим слоем (около 10 нм при 1-микронном процессе производства) окиси кремния. Следовательно, чтобы сообщить заряд плавающей базе, приходится пускаться на всевозможные ухищрения. Рассмотрим вначале процесс удаления содержимого ячейки. Здесь и далее будем полагать, что исток и сток представляют собой полупроводники p-типа, а значит, для выключения транзистора необходимо создать в канале отрицательное поле, блокирующее процесс перехода электронов. Между истоком (+) и управляющим затвором (--) прикладывается напряжение, которое приводит к появлению электрического поля высокой напряженностью 10 МВ/см вдоль слоя окиси между плавающим затвором и истоком. В результате квантового эффекта туннелирования Фаулера--Нордхейма (Fowler--Nordheim) заряд с плавающей базы перетекает к истоку. Стертая ячейка будет проводить ток ( 1 ), так как электрический барьер поля, обеспечиваемого плавающим затвором, исчез.

Во время программирования напряжение прикладывается уже между стоком и управляющей базой. Здесь плавающий затвор заряжается горячими электронами (Channel Hot Electrons -- CHE), которые генерируются в канале транзистора. Эти электроны называют горячими потому, что они обладают высокой энергией, достаточной, чтобы преодолеть потенциальный барьер, создаваемый тонкой пленкой окиси кремния. Эффективность процесса программирования в данной конфигурации ячейки крайне низка. Чтобы довести дело до конца, приходится прибегать к высокому напряжению, ток между истоком и стоком достигает 1 mA. Высокие напряжения, длительное протекание сильных токов, обусловленные невысокой эффективностью, приводят к значительному снижению надежности и устойчивости памяти.

Схема внутричиповых соединений достаточно проста -- каждая ячейка подключена как к линии слов, так и к линии битов. Фактически она находится на их пересечении, что вследствие наличия в схеме высокого напряжения приводит к значительному перерасходу места: линии истоков, битов и слов приходится располагать на достаточном удалении от других элементов схемы, чтобы обеспечить необходимый уровень изоляции.

Еще один существенный недостаток однотранзисторной ячейки -- подверженность эффекту избыточного удаления (overerase). Иногда плавающая база из-за дефектов в слое окисла, образовавшихся при производстве чипа или впоследствии при его эксплуатации, теряет при стирании слишком много электронов, которые уже не может восполнить процесс программирования. В результате после нескольких циклов стирания начинает проявляться положительное электрическое поле плавающего затвора, что приводит транзистор в состояние постоянно открыт вне зависимости от напряжения на управляющем затворе. Происходит заземление стока на битовую линию. А это означает, что битовая линия будет всегда выдавать 1 или 0 (в зависимости от типа базовой логики -- NAND или NOR) и чтение других ячеек станет невозможным.

Помимо эффекта избыточного удаления, однотранзисторная память подвержена и всем прочим недостаткам, присущим flash-ячейкам. В основном, они связаны с нарушениями в окисном слое: медленное стекание заряда (slow leaking bits), вызывающее снижение скорости чтения и даже битовые ошибки; с другой стороны, захват заряда (накопление избыточного отрицательного заряда на плавающем затворе) приводят к ухудшению времени стирания и программирования. Нарушение слоя окисла в некоторых случаях влечет за собой появление залипающих битов (stuck bits) -- ячеек, быстро теряющих или, наоборот, не желающих ни при каких обстоятельствах уступать свой заряд. Утешает только, что в не очень запущенных случаях время лечит дефекты, возникающие после захвата заряда. Последний постепенно рассасывается , и ячейка возвращается в свое нормальное состояние. Проблемы доставляет и группа эффектов, связанных с перекрестным влиянием операций чтения, стирания и программирования на соседние ячейки и целые области чипа.