MOSFET cu poartă plutitoare - Floating-gate MOSFET

Plutitoare-poarta MOSFET ( FGMOS ), de asemenea , cunoscut ca un plutitoare poarta MOS tranzistor sau plutitoare poarta tranzistor , este un tip de metal oxid-semiconductor cu efect de câmp tranzistor (MOSFET) unde poarta este izolat electric, creând un plutitor nod în curent continuu , iar un număr de porți secundare sau intrări sunt depuse deasupra porții plutitoare (FG) și sunt izolate electric de acesta. Aceste intrări sunt conectate doar capacitiv la FG. Deoarece FG este complet înconjurat de material extrem de rezistiv, sarcina conținută în acesta rămâne neschimbată pentru perioade lungi de timp, în zilele noastre de obicei mai mult de 10 ani. De obicei , tunelurile Fowler-Nordheim și mecanismele de injecție la cald sunt utilizate pentru a modifica cantitatea de încărcare stocată în FG.

FGMOS este utilizat în mod obișnuit ca o celulă de memorie cu poartă mobilă , elementul de stocare digitală în tehnologiile EPROM , EEPROM și de memorie flash . Alte utilizări ale FGMOS includ un element de calcul neuronal în rețelele neuronale , element de stocare analogic, potențiometre digitale și DAC - uri cu un singur tranzistor .

Istorie

Primul MOSFET a fost inventat de Mohamed Atalla și Dawon Kahng la Bell Labs în 1959 și prezentat în 1960. Primul raport al unui FGMOS a fost realizat ulterior de Dawon Kahng și Simon Min Sze la Bell Labs și datează din 1967. Cele mai vechi practici aplicarea FGMOS a fost celule de memorie cu poartă plutitoare , pe care Kahng și Sze le-au propus să poată fi utilizate pentru a produce ROM reprogramabil ( memorie read-only ). Aplicațiile inițiale ale FGMOS erau memoria digitală cu semiconductori , pentru a stoca date nevolatile în EPROM , EEPROM și memorie flash .

În 1989, Intel a folosit FGMOS ca element de memorie analogică nonvolatilă în cipul său de rețea neuronală artificială (ETANN) care poate fi antrenat electric, demonstrând potențialul utilizării dispozitivelor FGMOS pentru alte aplicații decât memoria digitală.

Trei realizări de cercetare au pus bazele pentru o mare parte a dezvoltării curente a circuitului FGMOS:

Demonstrația și utilizarea lui Thomsen și Brooke a tunelului de electroni într-un proces CMOS dublu- poli standard au permis multor cercetători să investigheze conceptele circuitelor FGMOS fără a necesita acces la procese de fabricație specializate.
Ν MOS, sau neuron-MOS, abordarea de circuit prin Shibata și Ohmi furnizat inspirația inițială și cadrul condensatorilor de utilizare pentru calcule liniare. Acești cercetători s-au concentrat asupra proprietăților circuitului FG în locul proprietăților dispozitivului și au folosit fie lumina UV pentru a egaliza încărcarea, fie elemente FG simulate prin deschiderea și închiderea comutatoarelor MOSFET.
Retina adaptivă a lui Carver Mead a dat primul exemplu de utilizare a tehnicilor de programare / ștergere FG care funcționează continuu, în acest caz lumina UV, ca coloană vertebrală a unei tehnologii de circuite adaptive.

Structura

O secțiune transversală a unui tranzistor cu poartă plutitoare

Un FGMOS poate fi fabricat prin izolarea electrică a porții unui tranzistor MOS standard, astfel încât să nu existe conexiuni rezistive la poarta sa. Un număr de porți sau intrări secundare sunt apoi depuse deasupra porții plutitoare (FG) și sunt izolate electric de ea. Aceste intrări sunt conectate doar capacitiv la FG, deoarece FG este complet înconjurat de material foarte rezistiv. Deci, în ceea ce privește punctul său de operare DC, FG este un nod plutitor.

Pentru aplicațiile în care sarcina FG trebuie modificată, o pereche de tranzistori suplimentari mici sunt adăugați la fiecare tranzistor FGMOS pentru a efectua operațiile de injecție și tunelare. Porțile fiecărui tranzistor sunt conectate între ele; tranzistorul de tunelare are bornele sursă, de scurgere și vrac interconectate pentru a crea o structură capacitivă de tunelare. Tranzistorul de injecție este conectat în mod normal și se aplică tensiuni specifice pentru a crea purtători fierbinți care sunt apoi injectați printr-un câmp electric în poarta plutitoare.

Tranzistorul FGMOS pentru utilizare pur capacitivă poate fi fabricat în versiunile N sau P. Pentru aplicațiile de modificare a încărcării, tranzistorul de tunelare (și, prin urmare, FGMOS de operare) trebuie încorporat într-o fântână, prin urmare tehnologia dictează tipul de FGMOS care poate fi fabricat.

Modelare

DC semnal mare

Ecuațiile care modelează funcționarea continuă a FGMOS pot fi derivate din ecuațiile care descriu funcționarea tranzistorului MOS utilizat pentru a construi FGMOS. Dacă este posibil să se determine tensiunea la FG a unui dispozitiv FGMOS, atunci este posibil să-și exprime drenajul la curentul sursă utilizând modele standard de tranzistoare MOS. Prin urmare, pentru a obține un set de ecuații care modelează funcționarea semnalului mare al unui dispozitiv FGMOS, este necesar să se găsească relația dintre tensiunile sale efective de intrare și tensiunea la FG.

Semnal mic

Un dispozitiv FGMOS cu intrare N are N -1 mai multe terminale decât un tranzistor MOS și, prin urmare, se pot defini N +2 parametri de semnal mici: N transconductanțe de intrare eficiente , o transconductanță de ieșire și o transconductanță în vrac. Respectiv:

{\ displaystyle g_ {mi} = {\ frac {C_ {i}} {C_ {T}}} g_ {m} \ quad {\ mbox {for}} \ quad i = [1, N]}

{\ displaystyle g_ {dsF} = g_ {ds} + {\ frac {C_ {GD}} {C_ {T}}} g_ {m}}

{\ displaystyle g_ {mbF} = g_ {mb} + {\ frac {C_ {GB}} {C_ {T}}} g_ {m}}

unde este capacitatea totală văzută de poarta plutitoare. Aceste ecuații arată două dezavantaje ale FGMOS în comparație cu tranzistorul MOS: ${\ displaystyle C_ {T}}$

Reducerea transconductanței de intrare
Reducerea rezistenței la ieșire

Simulare

În condiții normale, un nod plutitor într-un circuit reprezintă o eroare deoarece starea sa inițială este necunoscută, cu excepția cazului în care este cumva fixat. Acest lucru generează două probleme: în primul rând, nu este ușor să simulați aceste circuite; și în al doilea rând, o cantitate necunoscută de sarcină ar putea rămâne blocată la poarta plutitoare în timpul procesului de fabricație, ceea ce va duce la o stare inițială necunoscută pentru tensiunea FG.

Printre numeroasele soluții propuse pentru simularea pe computer, una dintre cele mai promițătoare metode este o analiză inițială tranzitorie (ITA) propusă de Rodriguez-Villegas, unde FG-urile sunt setate la zero volți sau o tensiune cunoscută anterior bazată pe măsurarea sarcinii. prins în FG după procesul de fabricație. Se efectuează apoi o analiză tranzitorie cu tensiunile de alimentare setate la valorile lor finale, lăsând ieșirile să evolueze normal. Valorile FG-urilor pot fi apoi extrase și utilizate pentru simulări de semnal mic posterior, conectând o sursă de tensiune cu valoarea FG inițială la poarta plutitoare utilizând un inductor de valoare foarte mare.

Aplicații

Utilizarea și aplicațiile FGMOS pot fi clasificate în general în două cazuri. Dacă încărcarea în poarta plutitoare nu este modificată în timpul utilizării circuitului, operația este cuplată capacitiv.

În regimul de funcționare cuplat capacitiv, sarcina netă în poarta plutitoare nu este modificată. Exemple de aplicații pentru acest regim sunt sumatoare cu tranzistor unic, DAC-uri, multiplicatori și funcții logice, invertoare cu prag variabil,

Folosind FGMOS ca element de încărcare programabil, este utilizat în mod obișnuit pentru stocarea nevolatilă, cum ar fi memoria flash , EPROM și EEPROM . În acest context, MOSFET-urile cu poartă plutitoare sunt utile datorită capacității lor de a stoca o încărcare electrică pentru perioade lungi de timp fără o conexiune la o sursă de alimentare. Alte aplicații ale FGMOS sunt elementul de calcul neuronal în rețelele neuronale , elementul de stocare analogică și e-poturile .

Languages

In other projects

MOSFET cu poartă plutitoare - Floating-gate MOSFET

Cuprins