Úszó kapu MOSFET - Floating-gate MOSFET

A lebegő kapu MOSFET ( FGMOS ), más néven úszó kapu MOS tranzisztor vagy lebegő kapu tranzisztor , egy olyan típusú fém – oxid – félvezető mező hatású tranzisztor (MOSFET), ahol a kapu elektromosan el van szigetelve, és úszót hoz létre csomópont egyenáramban , és számos szekunder kapu vagy bemenet van elhelyezve az úszó kapu (FG) felett, és elektromosan el van szigetelve tőle. Ezek a bemenetek csak kapacitívan vannak csatlakoztatva az FG-hez. Mivel az FG-t teljesen ellenálló anyag veszi körül, a benne lévő töltés hosszú ideig változatlan marad, manapság általában 10 évnél hosszabb. Általában Fowler-Nordheim alagút és forró hordozó befecskendező mechanizmusokat használnak az FG-ben tárolt töltés mennyiségének módosítására.

Az FGMOS-t általában lebegő kapu memóriacellaként használják , digitális tároló elemként az EPROM , az EEPROM és a flash memória technológiákban. Az FGMOS egyéb felhasználási területei közé tartozik egy neuronális számítási elem az ideghálózatokban , analóg tároló elem, digitális potenciométerek és egytranzisztoros DAC-ok .

Történelem

Az első MOSFET- et Mohamed Atalla és Dawon Kahng találta ki a Bell Labs- ban 1959-ben, és 1960-ban mutatták be. Az FGMOS első jelentését később Dawon Kahng és Simon Min Sze készítette a Bell Labs-ban, és 1967-ből származik. Az FGMOS alkalmazása lebegő kapus memóriacellák voltak , amelyeket Kahng és Sze javasolt újraprogramozható ROM ( csak olvasható memória ) előállítására. Az FGMOS kezdeti alkalmazása a digitális félvezető memória volt , a nem illékony adatok tárolására az EPROM , az EEPROM és a flash memóriában .

1989-ben az Intel analóg nem felejtő memóriaelemként használta az FGMOS-t az elektromosan képezhető mesterséges neurális hálózat (ETANN) chipjében, bemutatva az FGMOS-eszközök lehetőségeit a digitális memória kivételével.

Három kutatási eredmény megalapozta az FGMOS áramkör jelenlegi fejlesztésének nagy részét:

1. Thomsen és Brooke az elektroncsatornák bemutatását és használatát egy standard CMOS kettős- poli folyamatban sok kutató számára lehetővé tette, hogy az FGMOS áramkörök koncepcióit megvizsgálják anélkül, hogy speciális gyártási folyamatokhoz kellene hozzáférni.
2. A ν MOS, vagy neuron-MOS, áramköri megközelítést Shibata és ohm feltéve, hogy a kezdeti inspiráció és keret használata kondenzátorok lineáris számításokat. Ezek a kutatók az eszköz tulajdonságai helyett az FG áramkör tulajdonságaira koncentráltak, és vagy UV fényt használtak a töltés kiegyenlítésére, vagy pedig az FG elemeket szimulálták a MOSFET kapcsolók nyitásával és bezárásával.
3. Carver Mead adaptív retinája adta az első példát a folyamatosan működő FG programozási / törlési technikák, jelen esetben az UV fény használatára, mint az adaptív áramköri technológia gerincére.

Szerkezet

Egy lebegő kapu tranzisztor keresztmetszete

Az FGMOS előállítható úgy, hogy a szokásos MOS tranzisztor kapuját elektromosan leválasztják, így kapujához nincsenek rezisztív kapcsolatok. Ezután számos másodlagos kaput vagy bemenetet helyeznek el az úszó kapu (FG) felett, és elektromosan elkülönítik tőle. Ezek a bemenetek csak kapacitívan vannak csatlakoztatva az FG-hez, mivel az FG-t teljesen ellenálló anyag veszi körül. Tehát a DC működési pontját tekintve az FG lebegő csomópont.

Azoknál az alkalmazásoknál, ahol az FG töltését módosítani kell, minden kis FGMOS tranzisztorhoz hozzá kell adni egy pár kis extra tranzisztort, hogy elvégezzék az injektálási és alagútkezelési műveleteket. Minden tranzisztor kapuja össze van kötve; az alagutazó tranzisztor forrás-, leeresztő- és ömlesztett kapcsai összekapcsolt állapotban vannak, hogy kapacitív alagút-szerkezetet hozzanak létre. A befecskendező tranzisztor normálisan van csatlakoztatva, és meghatározott feszültségeket alkalmazva forró hordozókat hoznak létre, amelyeket aztán elektromos mezőn keresztül injektálnak az úszó kapuhoz.

A pusztán kapacitív használatra szánt FGMOS tranzisztor N vagy P változatban állítható elő. A töltésmódosító alkalmazásokhoz az alagúttranzisztort (és ezért a működő FGMOS-t) be kell ágyazni egy kútba, ezért a technológia meghatározza az előállítható FGMOS típusát.

Modellezés

Nagy jel DC

Az FGMOS DC működését modellező egyenletek levezethetők azokból az egyenletekből, amelyek leírják az FGMOS felépítéséhez használt MOS tranzisztor működését. Ha meg lehet határozni az FGMOS eszköz FG feszültségét, akkor lehetséges a szokásos MOS tranzisztoros modellek segítségével kifejezni annak lefolyását a forrás áramához. Ezért egy olyan egyenletkészlet levezetéséhez, amely modellezi az FGMOS eszköz nagy jelműködését, meg kell találni a kapcsolatot az effektív bemeneti feszültség és az FG feszültsége között.

Kis jel

Egy N -input FGMOS készülék N -1 több terminált, mint egy MOS tranzisztort, és így, az N +2 kis jel paramétereket lehet meghatározni: N hatásos bemeneti transconductances , egy kimeneti meredekség és ömlesztett meredekség. Illetőleg:

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

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

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

hol van az úszó kapu által látott teljes kapacitás. Ezek az egyenletek az FGMOS két hátrányát mutatják az MOS tranzisztorhoz képest: ${\ displaystyle C_ {T}}$

• A bemeneti transzvezetés csökkentése
• A kimeneti ellenállás csökkentése

Szimuláció

Normál körülmények között az áramkörben egy lebegő csomópont hibát jelent, mivel a kezdeti állapota ismeretlen, hacsak nincs valahogy rögzítve. Ez két problémát generál: egyrészt nem könnyű ezeket az áramköröket szimulálni; és másodszor, ismeretlen mennyiségű töltés csapdában maradhat az úszó kapunál a gyártási folyamat során, ami ismeretlen kezdeti állapotot eredményez az FG feszültség számára.

A számítógépes szimulációra javasolt számos megoldás közül az egyik legígéretesebb módszer a Rodriguez-Villegas által javasolt kezdeti átmeneti elemzés (ITA), ahol az FG-k nulla voltra vagy egy korábban ismert feszültségre vannak állítva a töltés mérése alapján. a gyártási folyamat után csapdába esett az FG-ben. Ezután egy átmeneti elemzést futtatunk a tápfeszültségek végleges értékére állítva, lehetővé téve a kimenetek normális fejlődését. Az FG értékei ekkor kinyerhetők és felhasználhatók a hátsó kis jel szimulációkhoz, egy nagyon nagy értékű induktor segítségével egy feszültségellátást csatlakoztatva a kezdeti FG értékhez az úszó kapuhoz.

Alkalmazások

Az FGMOS felhasználása és alkalmazásai nagyjából két esetben osztályozhatók. Ha az úszó kapu töltése az áramkör használata során nem módosul, akkor a művelet kapacitívan kapcsolódik.

A kapacitívan kapcsolt üzemmódban az úszó kapuban a nettó töltés nem módosul. Példák erre a módra: egy tranzisztor hozzáadók, DAC-k, szorzók és logikai függvények, változó küszöb inverterek,

Az FGMOS-t programozható töltőelemként használva általában nem felejtő tárolásra , például flash , EPROM és EEPROM memóriára használják. Ebben az összefüggésben a lebegő kapus MOSFET-ek azért hasznosak, mert képesek hosszabb ideig tárolni az elektromos töltést áramellátáshoz való csatlakozás nélkül. Egyéb alkalmazások az FGMOS neuronális számítási egység neurális hálózatok , analóg tároló elemet és e-edények .

Lásd még

• Töltőfogó vaku
• IGBT
• MOSFET
• SONOS

Hivatkozások

Külső linkek

• Lebegő kapu tranzisztortulajdonságok kihasználása az analóg és a vegyes jelű áramkörtervezésben
• Howstuffworks "Hogyan működik a ROM"
• Úszó kapu eszközök
• Úszó kaputranzisztorok analóg és vegyes jelű áramkörtervezésben
• Hangolható és újrakonfigurálható áramkörök úszókapu tranzisztorokkal