El MOSFET de puerta flotante ( FGMOS ), también conocido como transistor MOS de puerta flotante o transistor de puerta flotante , es un tipo de transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) donde la puerta está aislada eléctricamente, creando una nodo en corriente continua , y una serie de puertas o entradas secundarias se depositan sobre la puerta flotante (FG) y están eléctricamente aisladas de ella. Estas entradas solo están conectadas capacitivamente al FG. Dado que el FG está completamente rodeado por material altamente resistivo, la carga contenida en él permanece sin cambios durante largos períodos de tiempo [1] , hoy en día típicamente más de 10 años. Por lo generalLos mecanismos de inyección de túnel y portador caliente de Fowler-Nordheim se utilizan para modificar la cantidad de carga almacenada en el FG.
El FGMOS se utiliza comúnmente como una puerta flotante celda de memoria , el almacenamiento digital elemento en EPROM , EEPROM y memoria flash tecnologías. Otros usos del FGMOS incluyen un elemento computacional neuronal en redes neuronales , [2] [3] elemento de almacenamiento analógico, [2] potenciómetros digitales y DAC de un solo transistor .
Historia
El primer MOSFET fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, y presentado en 1960. [4] El primer informe de un FGMOS fue realizado más tarde por Dawon Kahng y Simon Min Sze en Bell Labs, y data de 1967. [5] La primera aplicación práctica de FGMOS fueron las celdas de memoria de puerta flotante , que Kahng y Sze propusieron que podrían usarse para producir ROM reprogramable ( memoria de solo lectura ). [6] Las aplicaciones iniciales de FGMOS fueron la memoria semiconductora digital , para almacenar datos no volátiles en EPROM , EEPROM y memoria flash .
En 1989, Intel empleó el FGMOS como un elemento de memoria analógica no volátil en su chip de red neuronal artificial eléctricamente entrenable (ETANN), [3] demostrando el potencial de usar dispositivos FGMOS para aplicaciones distintas de la memoria digital.
Tres logros de investigación sentaron las bases para gran parte del desarrollo actual del circuito FGMOS:
- La demostración y el uso de Thomsen y Brooke del túnel de electrones en un proceso de doble poli estándar CMOS [7] permitió a muchos investigadores investigar conceptos de circuitos FGMOS sin necesidad de acceder a procesos de fabricación especializados.
- El enfoque del circuito ν MOS, o neuron-MOS, de Shibata y Ohmi [8] proporcionó la inspiración y el marco iniciales para utilizar condensadores para cálculos lineales. Estos investigadores se concentraron en las propiedades del circuito FG en lugar de en las propiedades del dispositivo, y utilizaron luz ultravioleta para ecualizar la carga o simularon elementos FG abriendo y cerrando interruptores MOSFET.
- La retina adaptativa de Carver Mead [2] dio el primer ejemplo del uso de técnicas de programación / borrado de FG de funcionamiento continuo, en este caso luz ultravioleta, como la columna vertebral de una tecnología de circuito adaptativo.
Estructura
Se puede fabricar un FGMOS aislando eléctricamente la puerta de un transistor MOS estándar [ aclaración necesaria ] , de modo que no haya conexiones resistivas a su puerta. A continuación, se depositan varias puertas o entradas secundarias sobre la puerta flotante (FG) y se aíslan eléctricamente de ella. Estas entradas solo están conectadas capacitivamente al FG, ya que el FG está completamente rodeado por material altamente resistivo. Entonces, en términos de su punto de operación de CC, el FG es un nodo flotante.
Para aplicaciones donde la carga del FG necesita ser modificada, se agregan un par de pequeños transistores adicionales a cada transistor FGMOS para realizar las operaciones de inyección y tunelización. Las puertas de cada transistor están conectadas entre sí; el transistor de tunelización tiene sus terminales de fuente, drenaje y volumen interconectados para crear una estructura de tunelización capacitiva. El transistor de inyección se conecta normalmente y se aplican voltajes específicos para crear portadores calientes que luego se inyectan a través de un campo eléctrico en la puerta flotante.
El transistor FGMOS para uso puramente capacitivo se puede fabricar en versiones N o P. [9] Para aplicaciones de modificación de carga, el transistor de tunelización (y por lo tanto el FGMOS operativo) debe integrarse en un pozo, por lo que la tecnología dicta el tipo de FGMOS que se puede fabricar.
Modelado
CC de gran señal
Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de CC del FGMOS pueden derivarse de las ecuaciones que describen el funcionamiento del transistor MOS utilizado para construir el FGMOS. Si es posible determinar el voltaje en el FG de un dispositivo FGMOS, entonces es posible expresar su drenaje a la fuente de corriente utilizando modelos de transistores MOS estándar. Por lo tanto, para derivar un conjunto de ecuaciones que modelen la operación de gran señal de un dispositivo FGMOS, es necesario encontrar la relación entre sus voltajes de entrada efectivos y el voltaje en su FG.
Pequeña señal
Un N -input dispositivo FGMOS tiene N -1 más terminales que un transistor MOS, y por lo tanto, N +2 pequeñas parámetros de la señal se puede definir: N de entrada eficaces transconductancias , una transconductancia de salida y una transconductancia granel. Respectivamente:
dónde es la capacitancia total vista por la puerta flotante. Estas ecuaciones muestran dos inconvenientes del FGMOS en comparación con el transistor MOS:
- Reducción de la transconductancia de entrada
- Reducción de la resistencia de salida
Simulación
En condiciones normales, un nodo flotante en un circuito representa un error porque se desconoce su condición inicial, a menos que se arregle de alguna manera. Esto genera dos problemas: primero, no es fácil simular estos circuitos; y segundo, una cantidad desconocida de carga podría quedar atrapada en la puerta flotante durante el proceso de fabricación, lo que resultará en una condición inicial desconocida para el voltaje FG.
Entre las muchas soluciones propuestas para la simulación por computadora, uno de los métodos más prometedores es un Análisis Transitorio Inicial (ITA) propuesto por Rodríguez-Villegas, [10] donde los FG se establecen en cero voltios o un voltaje previamente conocido basado en la medición de la carga atrapada en el FG después del proceso de fabricación. Luego se ejecuta un análisis transitorio con los voltajes de suministro establecidos en sus valores finales, dejando que las salidas evolucionen normalmente. Los valores de los FG se pueden extraer y usar para simulaciones posteriores de señales pequeñas, conectando una fuente de voltaje con el valor FG inicial a la puerta flotante utilizando un inductor de valor muy alto.
Aplicaciones
El uso y las aplicaciones del FGMOS pueden clasificarse ampliamente en dos casos. Si la carga en la puerta flotante no se modifica durante el uso del circuito, la operación se acopla capacitivamente.
En el régimen de funcionamiento de acoplamiento capacitivo, la carga neta en la puerta flotante no se modifica. Ejemplos de aplicación para este régimen son sumadores de un solo transistor, DAC, multiplicadores y funciones lógicas, inversores de umbral variable,
Usando el FGMOS como un elemento de carga programable, se usa comúnmente para almacenamiento no volátil como flash , EPROM y memoria EEPROM . En este contexto, los MOSFET de puerta flotante son útiles debido a su capacidad para almacenar una carga eléctrica durante períodos de tiempo prolongados sin una conexión a una fuente de alimentación. Otras aplicaciones del FGMOS son el elemento computacional neuronal en redes neuronales , el elemento de almacenamiento analógico y los e-pots .
Ver también
- Flash de la trampa de carga
- IGBT
- MOSFET
- SONOS
Referencias
- ^ "Tunelización: nueva memoria de puerta flotante con excelentes características de retención" . Biblioteca en línea de Wiley . Consultado el 19 de junio de 2019 .
- ^ a b c Mead, Carver A .; Ismail, Mohammed, eds. (8 de mayo de 1989). Implementación VLSI analógica de sistemas neuronales (PDF) . Serie internacional de Kluwer en ingeniería y ciencias de la computación. 80 . Norwell, MA: Kluwer Academic Publishers . doi : 10.1007 / 978-1-4613-1639-8 . ISBN 978-1-4613-1639-8.
- ^ a b M. Holler, S. Tam, H. Castro y R. Benson, "Una red neuronal artificial eléctricamente entrenable con 10240 sinapsis de 'puerta flotante'", Actas de la Conferencia conjunta internacional sobre redes neuronales , Washington, DC, vol. II, 1989, págs. 191–196
- ^ "1960 - Transistor de semiconductor de óxido de metal (MOS) demostrado" . El motor de silicio . Museo de Historia de la Computación .
- ^ Kahng, Dawon ; Sze, Simon Min (1967). "Una puerta flotante y su aplicación a dispositivos de memoria". Revista técnica de Bell System . 46 (6): 1288-1295. doi : 10.1002 / j.1538-7305.1967.tb01738.x .
- ^ "1971: Se introduce la ROM semiconductora reutilizable" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 19 de junio de 2019 .
- ^ A. Thomsen y MA Brooke, "Un MOSFET de puerta flotante con inyector de túnel fabricado utilizando un proceso CMOS de polisilicio doble estándar", IEEE Electron Device Letters, vol. 12, 1991, págs.111-113
- ^ T. Shibata y T. Ohmi, "Un transistor MOS funcional que presenta operaciones de suma y umbral ponderadas a nivel de puerta", Transacciones IEEE en dispositivos electrónicos , vol. 39, no. 6, 1992, págs. 1444–1455
- ^ Janwadkar, Sudhanshu (24 de octubre de 2017). "Fabricación de Puerta Flotante MOS (FLOTOX)" . www.slideshare.net .
- ^ Rodríguez-Villegas, Esther. Diseño de circuito de baja potencia y bajo voltaje con el transistor FGMOS
enlaces externos
- EXPLOTAR LAS PROPIEDADES DEL TRANSISTOR DE PUERTA FLOTANTE EN DISEÑO DE CIRCUITOS ANALÓGICOS Y DE SEÑALES MIXTAS
- Howstuffworks "Cómo funciona la ROM"
- Dispositivos de puerta flotante
- TRANSISTORES DE PUERTA FLOTANTE EN DISEÑO DE CIRCUITOS ANALÓGICOS Y DE SEÑALES MIXTAS
- Circuitos sintonizables y reconfigurables que utilizan transistores de puerta flotante