Schwimmend-gate MOSFET

Das schwimmend-gate MOSFET (Fgmos), auch bekannt als a schwimmender Gate MOS-Transistor oder schwimmender Gate Transistor, ist eine Art von Metal-Oxid-Jemonial-Feld-Effekt-Transistor (MOSFET), wobei das Tor elektrisch isoliert ist, wodurch ein schwebender Knoten in erzeugt wird Gleichstromund eine Reihe von sekundären Toren oder Eingängen werden über dem schwimmenden Tor (FG) abgelagert und elektrisch davon isoliert. Diese Eingaben sind nur kapazitiv mit der FG verbunden. Da die FG von hochbeständigem Material umgeben ist, bleibt die darin enthaltene Ladung für lange Zeiträume unverändert[1] Heutzutage in der Regel länger als 10 Jahre. Normalerweise Fowler-Nordheim Tunneling und Hot-Carrier-Injektion Mechanismen werden verwendet, um die in der FG gespeicherte Ladungsmenge zu ändern.

Die FGMOs werden üblicherweise als schwimmendes Gate verwendet Speicherzelle, das Digitaler Speicherung Element in Eprom, Eeprom und Flash-Speicher Technologien. Andere Verwendungen der FGMOs umfassen ein neuronales Computerelement in Neuronale Netze,[2][3] Analoges Speicherelement,[2] Digitale Potentiometer und Single-Transsistor DACS.

Geschichte

Der Erste Mosfet wurde erfunden von Mohamed Atalla und Dawon Kahng bei Bell Labs in 1959, and presented in 1960.[4] Der erste Bericht eines FGMOs wurde später von Dawon Kahng und erstellt und Simon Min Sze in Bell Labs und stammt aus dem Jahr 1967.[5] Die früheste praktische Anwendung von FGMOs war schwebend-gate Gedächtniszellen, was Kahng und Sze vorgeschlagen werden könnten, um zu produzieren Reprogrammierbares ROM (Nur-Lese-Speicher).[6] Die ersten Anwendungen von FGMOs waren digital Halbleiter Erinnerung, lagern nicht flüchtig Daten in Eprom, Eeprom und Flash-Speicher.

1989 verwendete Intel die FGMOs als analoges nichtflüchtiges Gedächtniselement in seinem elektrisch trainierbaren künstliche neuronale Netz (Etann) chip,[3] Demonstration des Potenzials der Verwendung von FGMOS -Geräten für andere Anwendungen als digitaler Speicher.

Drei Forschungsleistungen legten den Grundstein für einen Großteil der aktuellen Entwicklung der FGMOS -Schaltung:

  1. Thomsen und Brookes Demonstration und Verwendung von Elektronentunneln in einem Standard-CMOS-Doppel-Poly Prozess[7] Erlaubten vielen Forschern, FGMOS -Schaltkreisekonzepte zu untersuchen, ohne Zugang zu speziellen Herstellungsprozessen zu erfordern.
  2. Das νMOS- oder Neuron-Mos, Schaltungsansatz von Shibata und Ohmi[8] Bereitstellung der anfänglichen Inspiration und des Frameworks, um Kondensatoren für lineare Berechnungen zu verwenden. Diese Forscher konzentrierten sich auf die Eigenschaften der FG -Schaltung anstelle der Geräteeigenschaften und verwendeten entweder UV Licht zum Ausgleich der Ladung oder simulierte FG -Elemente durch Öffnen und Schließen von MOSFET -Schalter.
  3. Carver Meads adaptive Netzhaut[2] gab das erste Beispiel für die Verwendung kontinuierlich operierender FG-Programmier-/Löschtechniken in diesem Fall UV-Licht als Rückgrat einer adaptiven Schaltungstechnologie.

Struktur

Ein Querschnitt eines schwebenden Gate-Transistors

Ein FGMO kann hergestellt werden, indem das Tor eines Standard -MOS -Transistors elektrisch isoliert wird[Klarstellung erforderlich], damit es keine Widerstandsanschlüsse zu seinem Tor gibt. Eine Reihe von Sekundärstunden oder Eingängen werden dann über dem schwimmenden Tor (FG) abgelagert und elektrisch davon isoliert. Diese Eingänge sind nur kapazitiv mit der FG verbunden, da die FG vollständig von hochbeständigem Material umgeben ist. In Bezug auf den DC -Betriebspunkt ist die FG ein schwimmender Knoten.

Für Anwendungen, bei denen die Ladung des FG geändert werden muss, werden jedem FGMOS -Transistor ein Paar kleiner zusätzlicher Transistoren hinzugefügt, um die Injektions- und Tunnelabläufe durchzuführen. Die Tore eines jeden Transistors sind miteinander verbunden; Der Tunneltransistor hat seine Quelle, Abfluss- und Schüttgutschläge miteinander verbunden, um eine kapazitive Tunnelstruktur zu erzeugen. Der Injektionstransistor ist normal angeschlossen und spezifische Spannungen werden angewendet, um heiße Träger zu erzeugen, die dann über ein elektrisches Feld in das schwimmende Tor injiziert werden.

Der FGMOS -Transistor für einen rein kapazitiven Gebrauch kann auf N- oder P -Versionen hergestellt werden. [9] Für Ladungsmodifikationsanwendungen muss der Tunneltransistor (und damit der operative FGMO) in einen Brunnen eingebettet werden, weshalb die Technologie die Art der FGMOs vorschreibt, die hergestellt werden können.

Modellieren

Großes Signal DC

Die Gleichungen, die den DC -Betrieb der FGMOs modellieren, kann aus den Gleichungen abgeleitet werden, die den Betrieb des MOS -Transistors beschreiben, der zum Aufbau der FGMOs verwendet wird. Wenn es möglich ist, die Spannung an der FG eines FGMOS -Geräts zu bestimmen, kann es mithilfe von Standard -MOS -Transistormodellen ihren Abfluss bis zur Quellstrom ausdrücken. Um eine Reihe von Gleichungen abzuleiten, die den großen Signalbetrieb eines FGMOS -Geräts modellieren, ist es erforderlich, die Beziehung zwischen seinen effektiven Eingangsspannungen und der Spannung an seiner FG zu ermitteln.

Kleines Signal

Ein N-Input FGMOS -Gerät hat N–1 mehr Terminals als ein MOS -Transistor und daher, N+2 kleine Signalparameter können definiert werden: N effektiver Eingang Transkonditionellen, eine Ausgangstranskonduktanz und eine Bulk -Transkonduktanz. Beziehungsweise:

wo ist die Gesamtkapazität des schwimmenden Tors. Diese Gleichungen zeigen zwei Nachteile des FGMOs im Vergleich zum MOS -Transistor:

  • Reduzierung der Eingangsübertragung
  • Reduzierung des Ausgangswiderstandes

Simulation

Unter normalen Bedingungen stellt ein schwebender Knoten in einer Schaltung einen Fehler dar, da seine Anfangsbedingung nicht bekannt ist, es sei denn, er ist irgendwie festgelegt. Dies erzeugt zwei Probleme: Erstens ist es nicht einfach, diese Schaltungen zu simulieren; Und zweitens kann eine unbekannte Menge an Ladung während des Herstellungsprozesses am schwimmenden Tor gefangen bleiben, was zu einer unbekannten Anfangsbedingung für die FG -Spannung führt.

Unter den vielen für die Computersimulation vorgeschlagenen Lösungen ist eine der vielversprechendsten Methoden eine erste Transientenanalyse (ITA), die von Rodriguez-Villegas vorgeschlagen wurde.[10] wobei die FGs auf Null -Volt oder eine zuvor bekannte Spannung eingestellt sind, basierend auf der Messung der in der FG eingeschlossenen Ladung nach dem Herstellungsprozess. Anschließend wird eine transiente Analyse durchgeführt, wobei die Versorgungsspannungen auf ihre Endwerte eingestellt sind und sich die Ausgänge normal entwickeln können. Die Werte der FGs können dann extrahiert und für posteriore Kleinsignalsimulationen verwendet werden, wobei eine Spannungsversorgung mit dem anfänglichen FG-Wert mit einem sehr hohen Wert-Induktor mit dem schwimmenden Tor verbindet.

Anwendungen

Die Verwendung und Anwendungen des FGMO können in zwei Fällen weitgehend klassifiziert werden. Wenn die Ladung im schwimmenden Tor während der Schaltungsverwendung nicht modifiziert ist, ist der Betrieb kapazitiv gekoppelt.

Im kapazitiv gekoppelten Betriebsregime wird die Nettoladung im schwimmenden Tor nicht geändert. Beispiele für die Anwendung für dieses Regime sind einzelne Transistor -Addierer, DACs, Multiplikatoren und Logikfunktionen sowie wechselhalme variable Schwellenwerte.

Verwenden der FGMOs als programmierbares Ladelement wird üblicherweise für verwendet Nichtflüchtiger Speicher wie zum Beispiel Blitz, Eprom und Eeprom Erinnerung. In diesem Zusammenhang sind schwimmende MOSFETs nützlich, da sie eine elektrische Ladung über längere Zeiträume ohne Verbindung zu einer Stromversorgung speichern können. Andere Anwendungen der FGMOs sind neuronales Computerelement in Neuronale Netze, analoges Speicherelement und E-Pots.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ "Tunneling: Neues schwimmendes Gate -Speicher mit hervorragenden Retentionseigenschaften". Wiley Online -Bibliothek. Abgerufen 19. Juni 2019.
  2. ^ a b c Mead, Carver A.; Ismail, Mohammed, Hrsg. (8. Mai 1989). Analoge VLSI -Implementierung von neuronalen Systemen (PDF). Die Kluwer International Series in Engineering und Informatik. Vol. 80. Norwell, MA: KLUWER Academic Publishers. doi:10.1007/978-1-4613-1639-8. ISBN 978-1-4613-1639-8.
  3. ^ a b M. Holler, S. Tam, H. Castro und R. Benson, "Ein elektrisch trainierbares künstliches neuronales Netzwerk mit 10240 'Floating Gate' Synapses", Verfahren der internationalen gemeinsamen Konferenz über neuronale Netze, Washington, D. C., vol. II, 1989, S. 191–196
  4. ^ "1960 - Transistor des Metalloxid -Halbleiters (MOS) demonstriert". Der Siliziummotor. Computergeschichte Museum.
  5. ^ Kahng, Dawon; SZE, Simon Min (1967). "Ein schwimmendes Tor und seine Anwendung auf Speichergeräte". Das Bell System Technical Journal. 46 (6): 1288–1295. doi:10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x.
  6. ^ "1971: Wiederverwendbares Halbleiter -ROM eingeführt". Computergeschichte Museum. Abgerufen 19. Juni 2019.
  7. ^ A. Thomsen und M. A. Brooke, "Ein schwimmendes Gate-MOSFET mit Tunnelinjektor, der unter Verwendung eines Standard-CMOS-Prozesss mit Standard-Doppelpolysilicon", IEEE Electron Device Letters, vol. 12, 1991, S. 111-113
  8. ^ T. Shibata und T. Ohmi, "Ein funktionaler MOS-Transistor mit gewichteten Summe auf Gate-Ebene und Schwellenwert", IEEE -Transaktionen auf Elektronengeräten, vol. 39, nein. 6, 1992, S. 1444–1455
  9. ^ Janwadkar, Sudhanshu (2017-10-24). "Herstellung von schwimmenden Gate -Mos (Flotox)". www.slideshare.net.
  10. ^ Rodriguez-Villegas, Esther. Konstruktion mit geringer Leistung und niedriger Spannung mit dem FGMOS -Transistor

Externe Links