MOSFET med flytande grind

Den flytande grind MOSFET ( FGMOS ), även känd som en flytande grind MOS transistor eller flytande grind transistor , är en typ av metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor (MOSFET) där grinden är elektriskt isolerad, vilket skapar en flytande nod i likström , och ett antal sekundära grindar eller ingångar är avsatta ovanför den flytande grinden (FG) och är elektriskt isolerade från den. Dessa ingångar är endast kapacitivt anslutna till FG. Eftersom FG är omgiven av högresistivt material förblir laddningen i den oförändrad under långa tidsperioder, numera vanligtvis längre än 10 år. Vanligtvis Fowler-Nordheim-tunnel- och hot-carrier-insprutningsmekanismer för att modifiera mängden laddning som lagras i FG.

FGMOS används vanligtvis som en flytande grind- minnescell , det digitala lagringselementet i EPROM , EEPROM och flashminnesteknologier . Andra användningsområden för FGMOS inkluderar ett neuronalt beräkningselement i neurala nätverk , analoga lagringselement, digitala potentiometrar och entransistor- DAC :er .

Historia

Den första MOSFET uppfanns av Mohamed Atalla och Dawon Kahng på Bell Labs 1959 och presenterades 1960. Den första rapporten om en FGMOS gjordes senare av Dawon Kahng och Simon Min Sze på Bell Labs, och är från 1967. Den tidigaste praktiska tillämpningen av FGMOS var flytande grind- minnesceller , som Kahng och Sze föreslog skulle kunna användas för att producera omprogrammerbart ROM ( skrivskyddat minne) . De första tillämpningarna av FGMOS var digitalt halvledarminne , för att lagra icke-flyktiga data i EPROM , EEPROM och flashminne .

1989 använde Intel FGMOS som ett analogt icke-flyktigt minneselement i sitt elektriskt träningsbara artificiella neurala nätverk (ETANN)-chip, vilket visar potentialen i att använda FGMOS-enheter för andra applikationer än digitalt minne.

Tre forskningsresultat lade grunden för mycket av den nuvarande FGMOS-kretsutvecklingen:

Thomsen och Brookes demonstration och användning av elektrontunnling i en standard CMOS-dubbelpolyprocess tillät många forskare att undersöka FGMOS-kretskoncept utan att behöva tillgång till specialiserade tillverkningsprocesser.
V MOS, eller neuron-MOS, kretsmetoden av Shibata och Ohmi gav den initiala inspirationen och ramverket för att använda kondensatorer för linjära beräkningar . Dessa forskare koncentrerade sig på FG-kretsens egenskaper istället för enhetens egenskaper och använde antingen UV- ljus för att utjämna laddningen eller simulerade FG-element genom att öppna och stänga MOSFET-omkopplare.
Carver Meads adaptiva näthinna gav det första exemplet på att använda kontinuerligt fungerande FG-programmerings-/raderingstekniker, i detta fall UV-ljus, som ryggraden i en adaptiv kretsteknik.

Strukturera

Ett tvärsnitt av en transistor med flytande grind

En FGMOS kan tillverkas genom att elektriskt isolera grinden på en standard MOS-transistor [ ^{förtydligande behövs ]} , så att det inte finns några resistiva anslutningar till dess gate. Ett antal sekundära grindar eller ingångar deponeras sedan ovanför den flytande grinden (FG) och är elektriskt isolerade från den. Dessa ingångar är endast kapacitivt anslutna till FG, eftersom FG är helt omgiven av högresistivt material. Så när det gäller dess DC-driftpunkt är FG en flytande nod.

För applikationer där laddningen av FG behöver modifieras, läggs ett par små extra transistorer till varje FGMOS-transistor för att utföra insprutnings- och tunneloperationerna. Grindarna för varje transistor är sammankopplade; tunneltransistorn har sina emitter-, drain- och bulkterminaler sammankopplade för att skapa en kapacitiv tunnelstruktur. Insprutningstransistorn ansluts normalt och specifika spänningar appliceras för att skapa heta bärare som sedan injiceras via ett elektriskt fält i den flytande grinden.

FGMOS-transistorer för rent kapacitiv användning kan tillverkas på N- eller P-versioner. För laddningsmodifieringstillämpningar måste tunneltransistorn (och därmed den fungerande FGMOS) bäddas in i en brunn, varför tekniken dikterar vilken typ av FGMOS som kan tillverkas.

Modellering

Stor signal DC

Ekvationerna som modellerar DC-driften för FGMOS kan härledas från ekvationerna som beskriver funktionen hos MOS-transistorn som används för att bygga FGMOS. Om det är möjligt att bestämma spänningen vid FG för en FGMOS-enhet, är det sedan möjligt att uttrycka dess drain till källström med hjälp av standard MOS-transistormodeller. För att härleda en uppsättning ekvationer som modellerar den stora signaldriften hos en FGMOS-enhet är det därför nödvändigt att hitta sambandet mellan dess effektiva inspänningar och spänningen vid dess FG.

Liten signal

En N -ingång FGMOS-enhet har N −1 fler terminaler än en MOS-transistor, och därför kan N +2 små signalparametrar definieras: N effektiva ingångstranskonduktanser , en utgångstranskonduktans och en bulktranskonduktans. Respektive:

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}

där $C_{T}$ är den totala kapacitansen som ses av den flytande grinden. Dessa ekvationer visar två nackdelar med FGMOS jämfört med MOS-transistorn:

Reduktion av ingångstranskonduktansen
Minskning av utgångsresistansen

Simulering

Under normala förhållanden representerar en flytande nod i en krets ett fel eftersom dess initiala tillstånd är okänt om det inte är fixat på något sätt. Detta genererar två problem: för det första är det inte lätt att simulera dessa kretsar; och för det andra kan en okänd mängd laddning stanna kvar vid den flytande grinden under tillverkningsprocessen, vilket kommer att resultera i ett okänt initialtillstånd för FG-spänningen.

Bland de många lösningar som föreslås för datorsimuleringen är en av de mest lovande metoderna en Initial Transient Analysis (ITA) föreslagen av Rodriguez-Villegas, där FG:erna är inställda på noll volt eller en tidigare känd spänning baserat på mätningen av laddningen fångade i FG efter tillverkningsprocessen. En transientanalys körs sedan med matningsspänningarna inställda på sina slutvärden, vilket låter utgångarna utvecklas normalt. Värdena på FG:erna kan sedan extraheras och användas för posteriora småsignalsimuleringar, genom att ansluta en spänningskälla med det initiala FG-värdet till den flytande grinden med hjälp av en induktor med mycket högt värde.

Ansökningar

Användningen och tillämpningarna av FGMOS kan brett klassificeras i två fall. Om laddningen i den flytande grinden inte modifieras under kretsanvändningen, är operationen kapacitivt kopplad.

I det kapacitivt kopplade driftregimen modifieras inte nettoladdningen i den flytande grinden. Exempel på tillämpningar för denna regim är enkeltransistoradderare, DAC:er, multiplikatorer och logiska funktioner och variabla tröskelväxelriktare.

Genom att använda FGMOS som ett programmerbart laddningselement används det vanligtvis för icke-flyktig lagring såsom flash- , EPROM- och EEPROM -minne. I detta sammanhang är MOSFET:er med flytande grind användbara på grund av deras förmåga att lagra en elektrisk laddning under långa tidsperioder utan anslutning till en strömkälla. Andra tillämpningar av FGMOS är neuronala beräkningselement i neurala nätverk , analoga lagringselement och e-pots .

Se även

externa länkar