МОП-транзистор с плавающим затвором

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. только емкостным способом Эти входы подключены к FG . Поскольку ФГ окружен высокоомным материалом, содержащийся в нем заряд остается неизменным в течение длительного времени. ^[1] времени, обычно более 10 лет в современных устройствах. Обычно туннелирования Фаулера-Нордгейма и инъекции горячих носителей для изменения количества заряда, хранящегося в FG, используются механизмы .

FGMOS обычно используется в качестве ячейки памяти с плавающим затвором , цифрового элемента хранения в технологиях EPROM , EEPROM и флэш-памяти . Другие варианты использования 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 об FGMOS был позже сделан Давоном Каном 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 ( постоянной памяти ). ^[6] Первым применением FGMOS была цифровая полупроводниковая память для хранения энергонезависимых данных в EPROM , EEPROM и флэш-памяти .

В 1989 году Intel использовала FGMOS в качестве аналогового элемента энергонезависимой памяти в своем электрически обучаемом чипе искусственной нейронной сети (ETANN). ^[3] демонстрация потенциала использования устройств FGMOS для приложений, отличных от цифровой памяти.

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

Демонстрация Томсена и Брука и использование туннелирования электронов в стандартном КМОП двойнополиграфическом . процессе ^[7] позволило многим исследователям исследовать концепции схем FGMOS, не требуя доступа к специализированным производственным процессам.
MOS Схема ν , или нейрон-MOS, Шибата и Оми. ^[8] предоставил первоначальное вдохновение и основу 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.
Мида Карвера Адаптивная сетчатка ^[2] дал первый пример использования непрерывно действующих методов программирования/стирания FG, в данном случае ультрафиолетового света, в качестве основы технологии адаптивных схем.

Структура

FGMOS можно изготовить путем электрической изоляции затвора стандартного МОП-транзистора. ^{[ нужны разъяснения ]}, 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. Инжекционный 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 яму, 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 при больших сигналах, 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, N можно определить +2 параметра малого сигнала: N эффективной входной крутизны , выходной крутизны и объемной крутизны. Соответственно:

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

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

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

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

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:

Смоделировать эти схемы непросто.
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 для FG установлено нулевое напряжение или ранее известное напряжение на основе измерения заряда, захваченного в FG после процесса изготовления. Затем выполняется анализ переходных процессов, при этом напряжения питания устанавливаются на окончательные значения, позволяя 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 плавающего затвора 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 .

См. также

Ссылки

^ «Туннелирование: новая память с плавающим затвором с превосходными характеристиками хранения» . Интернет-библиотека Уайли . дои : 10.1002/aelm.201800726 . S2CID 139369906 . Проверено 19 июня 2019 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с 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 .
^ Перейти обратно: ^а ^б 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.
^ «1960 — Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
^ Кан, Давон ; Сзе, Саймон Мин (1967). «Плавающие ворота и их применение в устройствах памяти». Технический журнал Bell System . 46 (6): 1288–1295. дои : 10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x .
^ «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
^ А. Томсен и М. А. Брук, «МОП-транзистор с плавающим затвором и туннельным инжектором, изготовленный с использованием стандартного процесса КМОП с двойным поликремнием», IEEE Electron Device Letters , vol. 12, 1991, стр. 111-113.
^ 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.
^ Джанвадкар, Судханшу (24 октября 2017 г.). «Изготовление плавающих ворот МОП (FLOTOX)» . www.slideshare.net .
^ Родригес-Вильегас, Эстер. Проектирование схемы малой мощности и низкого напряжения с использованием транзистора FGMOS

Внешние ссылки

[Tunneling-1] «Туннелирование: новая память с плавающим затвором с превосходными характеристиками хранения» . Интернет-библиотека Уайли . дои : 10.1002/aelm.201800726 . S2CID 139369906 . Проверено 19 июня 2019 г.

[Mead-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с 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 .

[Holler-3] Перейти обратно: ^а ^б 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.

[computerhistory-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. дои : 10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x .

[computerhistory1971-6] «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 КМОП с двойным поликремнием», 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 плавающих ворот МОП (FLOTOX)» . www.slideshare.net .

[10] Родригес-Вильегас, Эстер. Проектирование схемы малой мощности и низкого напряжения с использованием транзистора FGMOS

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]