МОП-транзистор с плавающим затвором

Тип МОП-транзистора, в котором затвор электрически изолирован

МОП -транзистор 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 (МОП-транзистор), в котором затвор электрически изолирован, создавая плавающий узел в постоянном токе , а ряд вторичных затворов или входов размещены над плавающим затвором (FG) и электрически изолированы от него. Эти входы только емкостно подключены к FG. Поскольку FG окружен высокорезистивным материалом, заряд, содержащийся в нем, остается неизменным в течение длительных периодов времени ^[1] , как правило, более 10 лет в современных устройствах. Обычно для изменения количества заряда, хранящегося в FG, используются механизмы туннелирования Фаулера-Нордгейма или инжекции горячих носителей .

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

История

MOSFET был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами, после того как Фрош и Дерик открыли пассивацию поверхности и использовали свое открытие для создания первых планарных транзисторов. ^[4] [ ^{5] [6] [7] [8] [9]} Первый отчет о FGMOS был позже сделан в 1967 году Давоном Кангом и Саймоном Минь Сзе в Bell Labs. ^[10] Самым ранним практическим применением FGMOS были ячейки памяти с плавающим затвором , которые, как предложили Канг и Сзе, можно было использовать для создания перепрограммируемого ПЗУ ( постоянного запоминающего устройства ). ^[11] Первоначально FGMOS применялась в цифровой полупроводниковой памяти для хранения энергонезависимых данных в EPROM , EEPROM и флэш-памяти .

До 1974 года отдельные плавающие затворы не могли быть стерты электронным способом и не производились массово для электронного хранения. Современные FGMOS, используемые во флэш-памяти, основаны на туннельных затворах EEPROM Фаулера-Нордхейма, которые были изобретены Бернвардом и запатентованы Siemens в 1974 году ^[12] и далее усовершенствованы израильско-американским Элияху Харари из Hughes Aircraft Company и Джорджем Перлегосом и другими в Intel. ^{[13] [14]}

В 1989 году компания Intel использовала FGMOS в качестве аналогового энергонезависимого элемента памяти в своей микросхеме электрически обучаемой искусственной нейронной сети (ETANN), ^[3] продемонстрировав потенциал использования устройств FGMOS для приложений, отличных от цифровой памяти.

Три научно-исследовательских достижения заложили основу для большей части современных разработок схем FGMOS:

• Демонстрация Томсена и Брука и использование электронного туннелирования в стандартном двухполигональном КМОП- процессе ^[15] позволили многим исследователям исследовать концепции схем FGMOS без необходимости доступа к специализированным процессам изготовления .
• Подход схемы ν MOS или нейрон-MOS Шибаты и Оми ^[16] дал первоначальное вдохновение и основу для использования конденсаторов для линейных вычислений. Эти исследователи сосредоточились на свойствах схемы FG вместо свойств устройства и использовали либо ультрафиолетовый свет для выравнивания заряда, либо моделировали элементы FG, открывая и закрывая переключатели MOSFET.
• Адаптивная сетчатка Карвера Мида ^[2] стала первым примером использования непрерывно работающих методов программирования/стирания FG, в данном случае ультрафиолетового света, в качестве основы технологии адаптивной схемы.

Структура

Поперечное сечение транзистора с плавающим затвором.

FGMOS может быть изготовлен путем электрической изоляции затвора стандартного МОП-транзистора ^{[ необходимо разъяснение ]} , так что нет резистивных соединений с его затвором. Затем над плавающим затвором (FG) размещается ряд вторичных затворов или входов, которые электрически изолированы от него. Эти входы только емкостно соединены с FG, поскольку FG полностью окружен материалом с высоким сопротивлением. Таким образом, с точки зрения его рабочей точки постоянного тока, FG является плавающим узлом.

Для приложений, 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; туннельный транзистор имеет свои исток, сток и клеммы для создания емкостной туннельной структуры. Инжекционный транзистор подключен нормально, и для создания горячих носителей, которые затем инжектируются через электрическое поле в плавающий затвор, применяются определенные напряжения.

Транзистор FGMOS для чисто емкостного использования может быть изготовлен в версиях N или P. ^[17] Для приложений модификации заряда туннельный транзистор (и, следовательно, рабочий FGMOS) должен быть встроен в скважину, поэтому технология диктует тип FGMOS, который может быть изготовлен.

Моделирование

Большой сигнал постоянного тока

Уравнения, моделирующие работу FGMOS на постоянном токе, можно вывести из уравнений, описывающих работу МОП-транзистора, используемого для построения FGMOS. Если можно определить напряжение на FG устройства FGMOS, то можно выразить его сток-истоковый ток с помощью стандартных моделей МОП-транзисторов. Поэтому для выведения набора уравнений, моделирующих работу FGMOS-устройства с большим сигналом, необходимо найти соотношение между его эффективными входными напряжениями и напряжением на его FG.

Малый сигнал

Устройство FGMOS с N -входами имеет на N −1 больше терминалов, чем транзистор MOS, и, следовательно, можно определить N +2 параметров малого сигнала: N эффективных входных крутизн , выходную крутизну и объемную крутизну. 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 MOS-транзистором: ${\displaystyle C_{T}}$

• Уменьшение входной крутизны
• Уменьшение выходного сопротивления

Моделирование

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

1. Нелегко моделировать эти схемы.
2. В процессе изготовления на плавающем затворе может остаться неизвестное количество заряда, что приведет к неизвестному начальному состоянию напряжения FG.

Среди множества решений, предложенных для компьютерного моделирования, одним из наиболее многообещающих методов является начальный переходный анализ (ITA), предложенный Родригесом-Вильегасом ^[18] , где FG устанавливаются на ноль вольт или на заранее известное напряжение на основе измерения заряда, захваченного в FG после процесса изготовления. Затем выполняется переходный анализ с напряжениями питания, установленными на их конечные значения, позволяя выходам развиваться нормально. Затем значения FG могут быть извлечены и использованы для последующего моделирования малых сигналов, подключая источник напряжения с начальным значением FG к плавающему затвору с помощью индуктора очень высокого значения.

Приложения

Использование и применение FGMOS можно в целом классифицировать в двух случаях. Если заряд в плавающем затворе не изменяется во время использования схемы, операция является емкостно-связанной.

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

Используя FGMOS как программируемый элемент заряда, он обычно используется для энергонезависимого хранения, такого как флэш-память , EPROM и EEPROM- память. В этом контексте плавающие затворы MOSFET полезны из-за их способности хранить электрический заряд в течение длительных периодов времени без подключения к источнику питания. Другие применения FGMOS - нейронный вычислительный элемент в нейронных сетях , аналоговый элемент хранения и электронные потенциометры .

Смотрите также

• Вспышка зарядной ловушки
• Fe полевой транзистор
• БТИЗ
• МОП-транзистор
• СОНОС

Ссылки

1. "Туннелирование: новая память с плавающим затвором и превосходными характеристиками хранения". doi : 10.1002/aelm.201800726 . S2CID  139369906. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
2. Mead, Carver A.; Ismail, Mohammed, ред. (8 мая 1989 г.). Аналоговая реализация СБИС нейронных систем (PDF) . Международная серия Kluwer по инжинирингу и информатике. Том 80. Norwell, MA: Kluwer Academic Publishers . doi :10.1007/978-1-4613-1639-8. ISBN 978-1-4613-1639-8.
3. M. Holler, S. Tam, H. Castro и R. Benson, «Электрически обучаемая искусственная нейронная сеть с 10240 синапсами с плавающим затвором», Труды Международной объединенной конференции по нейронным сетям , Вашингтон, округ Колумбия, т. II, 1989, стр. 191–196
4. US2802760A, Линкольн, Дерик и Фрош, Карл Дж., «Окисление полупроводниковых поверхностей для контролируемой диффузии», выпущено 1957-08-13 
5. Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
6. KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
7. Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
8. Лигенца, Дж. Р.; Спитцер, В. Г. (1960). «Механизмы окисления кремния в паре и кислороде». Журнал физики и химии твердого тела . 14 : 131–136. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5.
9. Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120. ISBN 9783540342588.
10. Канг, Давон ; Сзе, Саймон Мин (1967). «Плавающий затвор и его применение в запоминающих устройствах». The Bell System Technical Journal . 46 (6): 1288–1295. doi :10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x.
11. "1971: Представлено повторно используемое полупроводниковое ПЗУ". Computer History Museum . Получено 19 июня 2019 .
12. GB1517925A, "Полевые транзисторы для хранения данных", выпущенный 1978-07-19 
13. Симко, Ричард Т. (17 марта 1977 г.). «Электрически программируемая и электрически стираемая ячейка памяти МОП».
14. Фроман-Бенчковски, Дов; Мар, Джерри; Перлегос, Джордж; Джонсон, Уильям С. (15 декабря 1978 г.). «Электрически программируемое и стираемое устройство памяти с плавающим затвором на МОП-транзисторах, использующее туннелирование, и метод его изготовления».
15. А. Томсен и М.А. Брук, «МОП-транзистор с плавающим затвором и туннельным инжектором, изготовленный с использованием стандартного двухслойного поликремниевого КМОП-процесса», IEEE Electron Device Letters , т. 12, 1991, стр. 111-113
16. T. Shibata и T. Ohmi, «Функциональный МОП-транзистор с операциями взвешенной суммы на уровне затвора и пороговыми операциями», IEEE Transactions on Electron Devices , т. 39, № 6, 1992, стр. 1444–1455
17. Джанвадкар, Судханшу (24 октября 2017 г.). «Изготовление МОП с плавающими воротами (FLOTOX)». www.slideshare.net .
18. Родригес-Вильегас, Эстер. Проектирование маломощных и низковольтных цепей с использованием транзистора FGMOS

Внешние ссылки

• ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ ТРАНЗИСТОРА С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОТОМ В ПРОЕКТИРОВАНИИ АНАЛОГОВЫХ И СМЕШАННЫХ СИГНАЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
• Howstuffworks «Как работает ПЗУ»
• Устройства с плавающим затвором
• ТРАНЗИСТОРЫ С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОТОМ В АНАЛОГОВЫХ И СМЕШАННЫХ СИГНАЛЬНЫХ ЦЕПЯХ
• Настраиваемые и реконфигурируемые схемы с использованием транзисторов с плавающим затвором