플로팅 게이트 MOSFET

Floating-gate MOSFET

플로팅 게이트 MOSFET(FGMOS)는 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 일종으로 게이트가 전기적으로 절연되어 플로팅 게이트(FG) 위에 플로팅 노드를 생성하고 다수의 2차 게이트 또는 입력이 증착됩니다.전기적으로 격리되어 있습니다.이러한 입력은 FG에만 용량적으로 연결됩니다.FG는 저항성이 높은 물질로 둘러싸여 있기 때문에 FG에 포함된 전하가 장기간[1](일반적으로 10년 이상) 변하지 않습니다.보통 Fowler-Nordheim 터널링핫캐리어 주입 메커니즘은 FG에 저장된 전하량을 변경하기 위해 사용됩니다.

FGMOS는 일반적으로 EPROM, EEPROM 및 플래시 메모리 테크놀로지의 디지털 스토리지 요소인 플로팅 게이트 메모리 셀로 사용됩니다.FGMOS의 다른 용도에는 [2][3]신경계 계산 요소, 아날로그 저장 요소,[2] 디지털 전위차계 및 단일 트랜지스터 DAC가 포함됩니다.

역사

최초의 MOSFET는 1959년 벨 연구소에서 모하메드 아탈라와 다원 칸에 의해 발명되어 [4]1960년에 발표되었습니다.FGMOS의 첫 번째 보고서는 Bell Labs의 Dawon Kahng과 Simon Min Sze에 의해 1967년부터 작성되었습니다.[5]FGMOS의 가장 초기의 실용적인 적용은 플로팅 게이트 메모리 셀이었고, Kahng과 Sze는 이를 재프로그래밍 가능한 ROM(읽기 전용 메모리)[6]을 생산하기 위해 사용할 수 있다고 제안했다.FGMOS의 초기 적용 분야는 EPROM, EEPROM플래시 메모리에 비휘발성 데이터를 저장하기 위한 디지털 반도체 메모리였습니다.

1989년 인텔은 FGMOS를 전기적으로 트레이닝 가능한 인공신경망([3]ETANN) 칩에 아날로그 비휘발성 메모리 소자로 채용하여 디지털 메모리 이외의 애플리케이션에 FGMOS 디바이스를 사용하는 가능성을 증명했습니다.

세 가지 연구 성과는 현재의 FGMOS 회로 개발의 토대를 마련했습니다.

  1. 톰슨과 브룩은 표준 CMOS 이중 폴리[7] 공정에서 전자 터널링을 시연하고 사용함으로써 많은 연구자들이 전문 제작 프로세스에 접근할 필요 없이 FGMOS 회로 개념을 조사할 수 있었습니다.
  2. 시바타와 오미의[8] δMOS, 즉 뉴런-MOS 회로 접근방식은 선형 연산에 콘덴서를 사용하기 위한 초기 영감과 프레임워크를 제공했다.연구진은 소자 특성 대신 FG 회로 특성에 집중해 자외선을 이용해 전하를 균일하게 하거나 MOSFET 스위치를 열고 닫아 FG 소자를 시뮬레이션했다.
  3. Carver Mead의 적응형[2] 망막은 적응형 회로 기술의 백본으로서 지속적으로 작동하는 FG 프로그래밍/소거 기술(이 경우 UV)을 사용하는 첫 번째 예를 제시했습니다.

구조.

플로팅 게이트 트랜지스터의 단면

FGMOS는 표준 MOS 트랜지스터의[clarification needed] 게이트를 전기적으로 격리하여 게이트에 저항적인 접속이 없도록 제작할 수 있습니다.그런 다음 다수의 2차 게이트 또는 입력이 플로팅 게이트(FG) 위에 퇴적되어 전기적으로 격리됩니다.FG는 완전히 저항성이 높은 물질로 둘러싸여 있기 때문에 이러한 입력은 FG에만 용량적으로 연결됩니다.즉, DC 동작 포인트에서 FG는 플로팅노드입니다

FG의 전하를 수정해야 하는 애플리케이션의 경우 각 FGMOS 트랜지스터에 한 쌍의 작은 추가 트랜지스터가 추가되어 분사 및 터널링 작업을 수행합니다.모든 트랜지스터의 게이트는 함께 연결됩니다. 터널링 트랜지스터는 소스, 드레인 및 벌크 단자를 상호 연결하여 정전식 터널링 구조를 생성합니다.분사 트랜지스터는 정상적으로 연결되고 특정 전압이 인가되어 핫 캐리어가 생성되며, 핫 캐리어는 전계를 통해 플로팅 게이트로 분사됩니다.

순수 정전용 FGMOS 트랜지스터는 N 또는 P 버전으로 제작할 수 있습니다.[9] 전하 변경 어플리케이션에서는 터널링 트랜지스터(및 동작 중인 FGMOS)를 웰에 삽입해야 합니다.따라서 이 기술은 제조 가능한 FGMOS의 유형을 결정합니다.

모델링.

큰 신호 DC

FGMOS의 DC 동작을 모델링하는 방정식은 FGMOS를 구축하는 데 사용되는 MOS 트랜지스터의 동작을 설명하는 방정식에서 도출할 수 있습니다.FGMOS 장치의 FG에서 전압을 결정할 수 있는 경우 표준 MOS 트랜지스터 모델을 사용하여 전류 소스로의 드레인(drain to current)을 나타낼 수 있습니다.따라서 FGMOS 디바이스의 대규모 신호 동작을 모델링하는 일련의 방정식을 도출하려면 FG에서의 유효 입력 전압과 전압 사이의 관계를 찾아야 합니다.

작은 신호

N입력 FGMOS 디바이스는 MOS 트랜지스터보다 N~1개의 단자를 가지므로 N+2개의 소신호 파라미터, 즉 N개유효입력 트랜지덕턴스, 출력 트랜지덕턴스 및 벌크 트랜지덕턴스를 정의할 수 있다.각각:

서 C T 플로팅 게이트에서 확인된 총 캐패시턴스입니다.다음 방정식은 MOS 트랜지스터와 비교하여 FGMOS의 두 가지 결점을 보여 줍니다.

  • 입력 트랜스컨덕턴스 감소
  • 출력 저항 감소

시뮬레이션

정상적인 상태에서는 회로의 플로팅노드는 수정되지 않는 한 초기 상태를 알 수 없기 때문에 오류를 나타냅니다.이로 인해 두 가지 문제가 발생합니다.첫 번째 문제는 이들 회로를 시뮬레이션하는 것이 쉽지 않다는 것입니다.두 번째 문제는 제조 프로세스 중에 알 수 없는 양의 전하가 플로팅 게이트에 갇혀 FG 전압의 초기 상태를 알 수 없다는 것입니다.

컴퓨터 시뮬레이션을 위해 제안된 많은 솔루션 중 가장 유망한 방법 중 하나는 Rodriguez-Villegas가 [10]제안한 초기 과도 분석(ITA)입니다. 여기서 FG는 제조 프로세스 후 FG에 갇힌 전하의 측정에 기초하여 0V 또는 이전에 알려진 전압으로 설정됩니다.그런 다음 공급 전압이 최종 값으로 설정된 상태에서 과도 분석을 실행하여 출력이 정상적으로 진화하도록 합니다.그런 다음 FG 값을 추출하여 초기 FG 값을 가진 전압 공급을 매우 높은 값의 인덕터를 사용하여 플로팅 게이트에 연결하는 사후 소신호 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다.

적용들

FGMOS의 사용방법 및 적용방법은 크게 두 가지 경우로 분류할 수 있습니다.회로 사용 중에 플로팅 게이트 내의 전하가 변화하지 않으면 동작은 용량적으로 결합된다.

용량 결합 동작 상태에서는 플로팅 게이트 내의 순전하가 수정되지 않는다.이 시스템의 적용 예로는 단일 트랜지스터 가산기, DAC, 곱셈기 및 논리 함수, 가변 임계값 인버터 등이 있습니다.

FGMOS를 프로그램 가능한 충전 소자로 사용하여 플래시, EPROMEEPROM 메모리 비휘발성 스토리지에 일반적으로 사용됩니다.이러한 맥락에서 플로팅 게이트 MOSFET는 전원에 연결하지 않고 장기간 전하를 저장할 수 있기 때문에 유용합니다.FGMOS의 다른 응용 분야로는 신경 네트워크, 아날로그 저장 요소 및 전자 포트에서의 신경 계산 요소가 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Tunneling: New Floating Gate Memory with Excellent Retention Characteristics". Wiley Online Library. Retrieved 19 June 2019.
  2. ^ a b c Mead, Carver A.; Ismail, Mohammed, eds. (May 8, 1989). Analog VLSI Implementation of Neural Systems (PDF). The Kluwer International Series in Engineering and Computer Science. 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.탐, H. 카스트로, R.벤슨, "10240 '떠다니는 게이트' 시냅스를 가진 전기적으로 훈련 가능한 인공 신경망", 워싱턴 D.C. 국제 신경망에 관한 공동 회의의 진행.II, 1989, 191-196페이지
  4. ^ "1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated". The Silicon Engine. Computer History Museum.
  5. ^ Kahng, Dawon; Sze, Simon Min (1967). "A floating gate and its application to memory devices". The Bell System Technical Journal. 46 (6): 1288–1295. doi:10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x.
  6. ^ "1971: Reusable semiconductor ROM introduced". Computer History Museum. Retrieved 19 June 2019.
  7. ^ A. Thomsen 및 M.A. Brooke, "표준 더블 폴리실리콘 CMOS 프로세스를 사용하여 제작된 터널링 인젝터가 있는 플로팅 게이트 MOSFET", IEEE 전자 디바이스 레터, vol. 12, 1991, 페이지 111-113
  8. ^ T. 시바타, T.Ohmi, "게이트 수준의 가중치 합계와 임계값 연산을 특징으로 하는 기능적 MOS 트랜지스터", IEEE Transactions on Electron Device, vol. 39, no. 6, 1992, 페이지 1444–1455
  9. ^ Janwadkar, Sudhanshu (2017-10-24). "Fabrication of Floating Gate MOS (FLOTOX)". www.slideshare.net.
  10. ^ 로드리게스-빌레가스, 에스더FGMOS 트랜지스터를 사용한 저전력 및 저전압 회로 설계

외부 링크