1 - USB-роз'єм; 2 - мікроконтролер; 3 - контрольні точки; 4 - мікросхема флеш-пам'яті; 5 - кварцовий резонатор; 6 - світлодіод; 7 - перемикач «захист від запису»; 8 - місце для додаткової мікросхеми пам'яті.
Флеш-пам'ять зберігає інформацію в масиві транзисторів з плаваючим затвором, званих осередками (англ. Cell). У традиційних пристроях з однорівневими осередками (англ. Single-level cell, SLC), кожна з них може зберігати тільки один біт. Деякі нові пристрої з багаторівневими осередками (англ. Multi-level cell, MLC; triple-level cell, TLC [2]) можуть зберігати більше одного біта, використовуючи різний рівень електричного заряду на плаваючому затворі транзистора.
В основі цього типу флеш-пам'яті лежить АБО-НЕ елемент (англ. NOR), тому що в транзисторі з плаваючим затвором низька напруга на затворі позначає одиницю.
Транзистор має два затвора: керуючий і плаваючий. Останній повністю ізольований і здатний утримувати електрони до 10 років. В осередку є також стік і джерело. При програмуванні напругою на керуючому затворі створюється електричне поле і виникає тунельний ефект. Частина електронів тунелює крізь шар ізолятора і потрапляє на плаваючий затвор. Заряд на плаваючому затворі змінює «ширину» каналу стік-витік і його провідність, що використовується при читанні.
Програмування та читання осередків сильно розрізняються в енергоспоживанні: флеш-пам'яті споживають досить великий струм при записі, тоді як при читанні витрати енергії малі.
Для стирання інформації на керуючий затвор подається висока негативна напруга, і електрони з плаваючого затвора переходять (туннелируют) на джерело.
В NOR-архітектурі до кожного транзистору необхідно підвести індивідуальний контакт, що збільшує розміри схеми. Ця проблема вирішується за допомогою NAND-архітектури.
В основі NAND-типу лежить І-НЕ елемент (англ. NAND). Принцип роботи такий же, від NOR-типу відрізняється тільки розміщенням осередків і їх контактами. В результаті вже не потрібно підводити індивідуальний контакт до кожної клітинки, так що розмір і вартість NAND-чіпа може бути істотно менше. Також запис і стирання відбувається швидше. Однак ця архітектура не дозволяє звертатися до довільної осередку.
NAND і NOR-архітектури зараз існують паралельно і не конкурують один з одним, оскільки знаходять застосування в різних областях зберігання даних.