МОП-транзистор с плавающим затвором

Тип МОП-транзистора, затвор которого электрически изолирован.

MOSFET с плавающим затвором ( FGMOS ), также известный как МОП-транзистор с плавающим затвором или транзистор с плавающим затвором , представляет собой тип полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET), в котором затвор электрически изолирован, создавая плавающий затвор. узел на постоянном токе , а ряд вторичных вентилей или входов расположены над плавающим затвором (FG) и электрически изолированы от него. Эти входы подключены к FG только емкостным способом . Поскольку ФГ окружен материалом с высоким сопротивлением, содержащийся в нем заряд остается неизменным в течение длительного периода ^[1] времени, в современных устройствах обычно более 10 лет. Обычно для изменения количества заряда, хранящегося в FG, используются механизмы туннелирования Фаулера-Нордхайма и инъекции горячих носителей .

FGMOS обычно используется в качестве ячейки памяти с плавающим затвором , цифрового элемента хранения в технологиях EPROM , EEPROM и флэш-памяти . Другие применения FGMOS включают нейронный вычислительный элемент в нейронных сетях , ^{[2] [3]} аналоговый запоминающий элемент, ^[2] цифровые потенциометры и однотранзисторные ЦАП .

История

Первый МОП-транзистор был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году и представлен в 1960 году. ^[4] Первый отчет о FGMOS был позже сделан Давоном Кангом и Саймоном Мин Се в Bell Labs и датируется 1967 годом. ^[5] Самым ранним практическим применением FGMOS были ячейки памяти с плавающим затвором , которые, как предложили Канг и Сзе, можно было использовать для создания перепрограммируемого ПЗУ ( постоянная память ). ^[6] Первым применением FGMOS была цифровая полупроводниковая память для хранения энергонезависимых данных в EPROM , EEPROM и флэш-памяти .

В 1989 году Intel применила FGMOS в качестве аналогового энергонезависимого элемента памяти в своем чипе электрически обучаемой искусственной нейронной сети (ETANN), ^[3] продемонстрировав потенциал использования устройств FGMOS не только для цифровой памяти.

Три исследовательских достижения заложили основу для большей части нынешних разработок схем FGMOS:

• Демонстрация Томсена и Брука и использование туннелирования электронов в стандартном двойном поли- процессе КМОП ^[7] позволили многим исследователям исследовать концепции FGMOS-схем, не требуя доступа к специализированным производственным процессам.
• Подход к схеме ν - МОП, или нейрон-МОП, предложенный Шибатой и Оми ^[8] , послужил первоначальным вдохновением и основой для использования конденсаторов для линейных вычислений. Эти исследователи сосредоточились на свойствах схемы FG, а не на свойствах устройства, и использовали либо ультрафиолетовый свет для выравнивания заряда, либо моделировали элементы FG, открывая и закрывая переключатели MOSFET.
• Адаптивная сетчатка Карвера Мида ^[2] дала первый пример использования непрерывно действующих методов программирования/стирания FG, в данном случае ультрафиолетового света, в качестве основы технологии адаптивных схем.

Состав

Поперечное сечение транзистора с плавающим затвором

FGMOS можно изготовить путем электрической изоляции затвора стандартного МОП-транзистора ^{[ необходимы пояснения ]} , чтобы к его затвору не было резистивных соединений. Затем над плавающим затвором (FG) размещается ряд вторичных вентилей или входов, которые электрически изолированы от него. Эти входы подключены к ФГ только емкостно, поскольку ФГ полностью окружен материалом с высоким сопротивлением. Таким образом, с точки зрения рабочей точки постоянного тока FG представляет собой плавающий узел.

В приложениях, где необходимо изменить заряд FG, к каждому FGMOS-транзистору добавляется пара небольших дополнительных транзисторов для проведения операций инжекции и туннелирования. Затворы каждого транзистора соединены вместе; Исток, сток и основная клемма туннельного транзистора соединены между собой для создания емкостной туннельной структуры. Инжекторный транзистор подключается нормально, и к нему подаются определенные напряжения для создания горячих носителей, которые затем через электрическое поле вводятся в плавающий затвор.

Транзистор FGMOS для чисто емкостного использования может быть изготовлен в версиях N или P. ^[9] Для приложений модификации заряда туннельный транзистор (и, следовательно, рабочий FGMOS) должен быть встроен в скважину, следовательно, технология диктует тип FGMOS, который может быть изготовлен.

Моделирование

Большой сигнал постоянного тока

Уравнения, моделирующие работу FGMOS на постоянном токе, могут быть получены из уравнений, описывающих работу МОП-транзистора, используемого для создания FGMOS. Если возможно определить напряжение на FG устройства FGMOS, тогда можно выразить его сток в ток источника, используя стандартные модели МОП-транзисторов. Следовательно, чтобы вывести набор уравнений, моделирующих работу устройства FGMOS с большими сигналами, необходимо найти взаимосвязь между его эффективными входными напряжениями и напряжением на его FG.

Малый сигнал

Устройство FGMOS с N -входом имеет на N -1 больше клемм, чем МОП-транзистор, и, следовательно, можно определить N +2 параметра малого сигнала: N эффективной входной крутизны , выходной крутизны и объемной крутизны. Соответственно:

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

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

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

где общая емкость, видимая плавающим затвором. Эти уравнения показывают два недостатка FGMOS по сравнению с МОП-транзистором: ${\displaystyle C_{T}}$

• Уменьшение входной крутизны
• Уменьшение выходного сопротивления

Моделирование

В нормальных условиях плавающий узел в схеме представляет собой ошибку, поскольку его начальное состояние неизвестно, если оно каким-либо образом не зафиксировано. Это порождает две проблемы:

1. Смоделировать эти схемы непросто.
2. Неизвестное количество заряда может остаться в ловушке на плавающем затворе во время процесса изготовления, что приведет к неизвестному начальному состоянию напряжения FG.

Среди множества решений, предложенных для компьютерного моделирования, одним из наиболее многообещающих методов является первоначальный анализ переходных процессов (ITA), предложенный Родригесом-Вильегасом ^[10] , где FG устанавливаются на ноль вольт или на ранее известное напряжение на основе измерений. заряда, попавшего в ФГ после процесса изготовления. Затем выполняется анализ переходных процессов, при этом напряжения питания устанавливаются на окончательные значения, что позволяет выходным сигналам развиваться нормально. Затем значения FG можно извлечь и использовать для апостериорного моделирования малых сигналов, подключив источник напряжения с начальным значением FG к плавающему затвору с помощью индуктора очень высокого значения.

Приложения

Использование и применение FGMOS можно разделить на два случая. Если заряд в плавающем затворе не изменяется во время использования схемы, операция связана емкостно.

В режиме работы с емкостной связью чистый заряд плавающего затвора не изменяется. Примерами применения этого режима являются однотранзисторные сумматоры, ЦАП, умножители и логические функции, а также инверторы с переменным порогом.

Используя FGMOS в качестве программируемого зарядного элемента, он обычно используется для энергонезависимой памяти, такой как флэш- память , EPROM и EEPROM . В этом контексте МОП-транзисторы с плавающим затвором полезны из-за их способности сохранять электрический заряд в течение длительных периодов времени без подключения к источнику питания. Другими приложениями FGMOS являются нейронные вычислительные элементы в нейронных сетях , аналоговые элементы хранения и электронные горшки .

Смотрите также

• Вспышка ловушки заряда
• Fe ФЕТ
• БТИЗ
• МОП-транзистор
• СОНОС

Рекомендации

1. «Туннелирование: новая память с плавающим затвором с отличными характеристиками хранения» . Интернет-библиотека Уайли . дои : 10.1002/aelm.201800726 . S2CID  139369906 . Проверено 19 июня 2019 г.
2. Мид, Карвер А.; Исмаил, Мохаммед, ред. (8 мая 1989 г.). Аналоговая реализация нейронных систем СБИС (PDF) . Международная серия Kluwer по инженерным наукам и информатике. Том. 80. Норвелл, Массачусетс: Kluwer Academic Publishers . дои : 10.1007/978-1-4613-1639-8. ISBN 978-1-4613-1639-8.
3. М. Холлер, С. Тэм, Х. Кастро и Р. Бенсон, «Электрически обучаемая искусственная нейронная сеть с 10240 синапсами с «плавающими воротами», Труды Международной совместной конференции по нейронным сетям , Вашингтон, округ Колумбия, том . II, 1989, стр. 191–196.
4. «1960 - Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
5. Кан, Давон ; Сзе, Саймон Мин (1967). «Плавающие ворота и их применение в устройствах памяти». Технический журнал Bell System . 46 (6): 1288–1295. doi :10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x.
6. «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
7. А. Томсен и М. А. Брук, «МОП-транзистор с плавающим затвором и туннельным инжектором, изготовленный с использованием стандартного процесса двойного поликремния КМОП», IEEE Electron Device Letters , vol. 12, 1991, стр. 111-113.
8. Т. Шибата и Т. Оми, «Функциональный МОП-транзистор с функциями взвешенной суммы и пороговых операций на уровне затвора», IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 39, нет. 6, 1992, стр. 1444–1455.
9. Джанвадкар, Судханшу (24 октября 2017 г.). «Изготовление МОП с плавающими воротами (FLOTOX)». www.slideshare.net .
10. Родригес-Вильегас, Эстер. Проектирование схемы малой мощности и низкого напряжения с использованием транзистора FGMOS

Внешние ссылки

• ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ ТРАНЗИСТОРА С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ И СМЕШАННЫХ СИГНАЛОВ
• Как работает «Как работает ПЗУ»
• Устройства с плавающими воротами
• ТРАНЗИСТОРЫ С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОМ В АНАЛОГОВЫХ И СМЕШАННЫХ СХЕМАХ
• Перестраиваемые и реконфигурируемые схемы с использованием транзисторов с плавающим затвором.