Een geheugencel in in feite een veldeffekttransistor (source, gate en drain). Door het aanleggen van een spanning op de gate wordt de transistor geleidend en kan er stroom lopen tussen source en drain. De geheugencel heeft een extra laag waarin electronen opgeslagen kunnen worden. Deze laag is volledig geïsoleerd.

In rusttoestand is deze laag niet geladen, het is alsof er geen lading op de gate gezet wordt bij een klassieke veldeffekt transistor. Om een lading in een cel in te brengen wordt er een relatief hoge potentiaal op de gate aangelegd. Electronen lekken door de isolatielaag tot in de geïsoleerde gate. Van zodra er voldoende elektronen gelekt zijn is de cel geprogrammeerd: er zit een 1 op die plaats. De gatespanning mag weggenomen worden: de electronen in de geïsoleerde gate nemen zijn funktie over. Zo wordt in ieder geheugencel een databit opgenomen: we hebben te maken met de SLC of Single Level Cel.

Wissen van één enkel element is niet mogelijk, het volledig IC moet eigenlijk gewist worden (intern zijn de geheugenblokken onderverdeeld in functionele modulen zodat niet het volledig geheugen gewist moet worden).

Omdat er altijd een aantal elementen hun lading niet kunnen houden heeft ieder blok (bijvoorbeeld van 4k) een aantal correctiebits. Niet alleen kan er aangegeven worden dat er fout in een blok zit, maar de fout kan ook verbeterd worden (indien er slechts een beperkt aantal bits slecht zijn).

Blokken met teveel defekte bits worden uit gebruik genomen: daarom wordt er altijd een deel van de capaciteit gereserveerd voor defekten. Een SSD van 64GB heeft bijvoorbeeld een effektieve capaciteit van 60GB. Al bij het verlaten van de fabriek zullen er defekte bits zijn, en het aantal zal alsmaar toenemen.

Slimme gasten hebben echter opgemerkt dat een transistor ook analoog in plaats van binair kan werken. Het is mogelijk een variabele lading op te slaan in iedere cel. In de praktijk gaat men geen volledige byte (8 bits = 256 spanningsniveaus) in een geheugencel kunnen opnemen, maar 2 bits wel (4 niveaus).

Bij een 00-bit wordt de gate niet geladen, die blijft op zijn grondniveau, en voor een 11-bit wordt de gate maximaal geladen, hierbij is er geen verschil met de SLC. De elementaire cellen zijn trouwens identiek gebouwd. Voor de tussenniveaus wordt er een kleine lading geïnjecteerd, en dan gemeten of die voldoende is. Is de lading te laag, dan wordt er bijgetankt. Het laden (programmeren) van een MLC of Multi Level Cel is daarom trager dan het laden van een SLC.

Het laden in meerdere stappen is niet goed voor de cel. Daarbij komt nog dat de niveau's veel beter gedefinieerd moeten zijn (bij een SLC mag er al wat lading weglekken vooralleer er een leesfout optreed). Dit heeft als gevolg dat een individuele SLC 100.000 keren geprogrameerd kan worden, een MLC slechts 10.000 keren. De levensduur van een SLC wordt op 25 jaar geschat, die van een MLC op 5 à 7 jaar.

Bij de SLC gebruikt men nog meer dan bij de SLC de foutcorrectie: het aantal foute bits neemt namelijk toe met het aantal niveau's.

Men heeft regelmatig uitval opgetekend. Daarbij gaat meestal de volledige geheugenmodule defekt (waarbij niets meer te lezen valt) omdat de firmware van de geheugenmodule in de geheugenmodule zelf zit. Ten gevolge van wear levelling worden alle gegevens rondgeschreven (dus ook de firmware), en het kan dus gebeuren dat de firmware op een defekte plek terechtkomt.

Ondertussen is de techniek verbeterd en men gebruikt een deel van het geheugen om de gegevens eerst in SLC-modus op te schrijven. Dit kan zeer snel gebeuren, met een snelheid van meer dan 500MB/sec. Nadien worden deze gegevens opnieuw geschreven, maar dan in TLC modus, zodat de aangehaalde capaciteit gehaald wordt. Het schrijven in TLC-modus is bijzonder traag, omdat het schrijven in stapjes moet gebeuren: men polariseert de gate bij iedere schrijfopdracht een beetje meer, totdat de gewenste toestand bereukt wordt. Als er geen vrije ruimte meer is en de controller moet noodgedwongen direct in TLC modus werken, dan valt de schrijfsnelheid abrupt naar 50MB/sec (bij de goedkopere SSD schijven).

Bepaalde fabrikanten gebruiken een groot deel van de beschikbare capaciteit om de gegevens in SLC modus op te slaan in afwachting van de definitieve opslag in TLC modus. Dit is nog een reden om de harde schijf nooit te laten vollopen: hoe meer vrije ruimte er beschikbaar is, hoe meer ruimte de controler tot zijn beschikking heeft om de gegevens in SLC modus op te slaan.

Met de TLC modus kan men 3 bits per geheugenplaats opslaan, waardoor er vreemde capaciteiten kunnen ontstaan. Samsung gebruikt daarom permanent 1/3 van de totale capaciteit als SLC buffer. De buffer wordt leeggemaakt als de schijf geen schrijfopdrachten moet uitvoeren. Door de grote SLC capaciteit is het in de praktijk nagenoeg onmogelijk om de buffer volledig vol te krijgen.

Een probleem dat belangrijk wordt, is de levensduur van de schijf (in geschreven terabytes uitgedrukt). Deze waarde wordt vaak niet vrijgegeven voor de fabrikant. Een geheugencel kan slechts een beperkt aantal keren in TLC modus geschreven worden (een duizendtal keren). Rekening houdens met deze cijfers is een levensduur van 500TB voor een schijf van 500GB dus normaal. Een levensduur van 500TB is echter minimaal voor een SSD schijf: deze waarde wordt in 3 jaar bereikt bij een bureaucomputer (met anti-virus). Deze waarde kan sneller bereikt worden als de schijf intensief gebruikt is, bijvoorbeeld als tijdelijke opslag voor foto's of video's die bewerkt worden.