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MOSFET de puerta flotante

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 ...

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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 metal-óxido-semiconductor (MOSFET) donde la puerta está aislada eléctricamente, creando un nodo flotante en corriente continua , y varias puertas secundarias o entradas se depositan sobre la puerta flotante (FG) y están aisladas eléctricamente de ella. Estas entradas están conectadas capacitivamente a la FG. Dado que la FG está rodeada de un material altamente resistivo, la carga contenida en ella permanece inalterada durante largos períodos [ 1 ] de tiempo, típicamente más de 10 años en los dispositivos modernos. Generalmente se utilizan mecanismos de tunelización de Fowler-Nordheim o de inyección de portadores calientes para modificar la cantidad de carga almacenada en la FG.

El FGMOS se usa comúnmente como celda de memoria de puerta flotante , elemento de almacenamiento digital en tecnologías de memoria EPROM , EEPROM y flash . 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 concepto de usar carga almacenada para controlar transistores para memoria electrónica, fue patentado por primera vez por separado por Jack Morton e Ian Ross en 1955 en Bell Labs . [ 4 ] [ 5 ] Ambos propusieron almacenar carga en un ferroeléctrico en la superficie del semiconductor con el propósito de controlar la electricidad para el almacenamiento de información. [ 4 ] [ 5 ] El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación de dióxido de silicio de superficie y usaran su descubrimiento para crear los primeros transistores planares . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] En 1961, Vasil Uzunoglu y Phillip Koenig, patentaron la idea aplicada a transistores de tipo MOS, también para memoria sólida. [ 12 ] En 1961, Paul Weimer, de RCA, patentó electrodos aislados para dispositivos de estado sólido. [ 13 ] Un FGMOS con un aislamiento grueso entre el electrodo y el ferroeléctrico fue fabricado posteriormente en 1967 por Dawon Kahng y Simon Min Sze en Bell Labs [ 14 ] y patentado por Kahng. [ 15 ]

Hasta 1974, las compuertas flotantes simples no se podían borrar electrónicamente y no se producían en masa para el almacenamiento electrónico. Los FGMOS modernos utilizados en memorias flash se basan en las compuertas EEPROM de túnel de Fowler-Nordheim, inventadas por Bernward y patentadas por Siemens en 1974 [ 16 ] y mejoradas posteriormente por el israelí-estadounidense Eliyahou Harari en Hughes Aircraft Company y George Perlegos y otros en Intel. [ 17 ] Las aplicaciones iniciales de los FGMOS fueron la memoria de semiconductores digitales , para almacenar datos no volátiles en EPROM , EEPROM y memoria flash . [ 18 ]

En 1989, Intel empleó el FGMOS como un elemento de memoria no volátil analógica en su chip de red neuronal artificial entrenable eléctricamente (ETANN), [ 3 ] demostrando el potencial de utilizar dispositivos FGMOS para aplicaciones distintas a la memoria digital.

Tres logros de investigación sentaron las bases para gran parte del desarrollo actual de los circuitos FGMOS:

  • La demostración y el uso de la tunelización de electrones por parte de Thomsen y Brooke en un proceso estándar de doble polisilicio CMOS [ 19 ] permitieron a muchos investigadores investigar conceptos de circuitos FGMOS sin necesidad de acceder a procesos de fabricación especializados.
  • El enfoque del circuito ν MOS, o neuro-MOS, de Shibata y Ohmi [ 20 ] proporcionó la inspiración inicial y el marco para utilizar capacitores en cálculos lineales. Estos investigadores se concentraron en las propiedades del circuito FG en lugar de las propiedades del dispositivo, y utilizaron luz UV para igualar 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 FG de funcionamiento continuo, en este caso luz UV, como la columna vertebral de una tecnología de circuito adaptativo.

Estructura

Sección transversal de un transistor de puerta flotante.

Un FGMOS se fabrica aislando eléctricamente la compuerta de un transistor MOS estándar , de modo que no haya conexiones resistivas a su compuerta. Posteriormente, se depositan varias compuertas o entradas secundarias sobre la compuerta flotante (FG) y se aíslan eléctricamente de ella. Estas entradas solo están conectadas capacitivamente a la FG, ya que esta se encuentra completamente rodeada por un material altamente resistivo. Por lo tanto, en términos de su punto de operación en CC, la FG es un nodo flotante.

Para aplicaciones donde se requiere modificar la carga de la puerta flotante, se agrega un par de pequeños transistores adicionales a cada transistor FGMOS para realizar las operaciones de inyección y tunelización. Las puertas de cada transistor están interconectadas; el transistor de tunelización tiene sus terminales de fuente, drenaje y sustrato interconectados para crear una estructura de tunelización capacitiva. El transistor de inyección se conecta normalmente y se aplican voltajes específicos para generar portadores calientes que luego se inyectan mediante un campo eléctrico en la puerta flotante.

El transistor FGMOS para uso puramente capacitivo se puede fabricar en versiones N o P. [ 21 ] Para aplicaciones de modificación de carga, el transistor de túnel (y por lo tanto el FGMOS operativo) debe estar integrado en un pozo, por lo que la tecnología determina el tipo de FGMOS que se puede fabricar.

Modelado

CC de gran señal

Las ecuaciones que modelan el funcionamiento en corriente continua del FGMOS se pueden derivar de las ecuaciones que describen el funcionamiento del transistor MOS utilizado para construirlo. Si es posible determinar la tensión en la puerta de entrada (FG) de un dispositivo FGMOS, entonces es posible expresar su corriente de drenador a fuente utilizando modelos estándar de transistores MOS. Por lo tanto, para derivar un conjunto de ecuaciones que modelen el funcionamiento en grandes señales de un dispositivo FGMOS, es necesario encontrar la relación entre sus tensiones de entrada efectivas y la tensión en su puerta de entrada.

Señal débil

Un dispositivo FGMOS de N entradas tiene N −1 terminales más que un transistor MOS y, por lo tanto, se pueden definir N +2 parámetros de pequeña señal: N transconductancias de entrada efectivas , una transconductancia de salida y una transconductancia de volumen. Respectivamente:

gramometroi=doidoTgramometroparai=[1,norte]{\displaystyle g_{mi}={\frac {C_{i}}{C_{T}}}g_{m}\quad {\mbox{para}}\quad i=[1,N]}
gramodsF=gramods+doGRAMODdoTgramometro{\displaystyle g_{dsF}=g_{ds}+{\frac {C_{GD}}{C_{T}}}g_{m}}
gramometrobF=gramometrob+doGRAMOBdoTgramometro{\displaystyle g_{mbF}=g_{mb}+{\frac {C_{GB}}{C_{T}}}g_{m}}

dóndedoT{\displaystyle C_{T}}es la capacitancia total vista por la puerta flotante. Estas ecuaciones muestran dos desventajas 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 su condición inicial es desconocida a menos que se corrija de alguna manera. Esto genera dos problemas:

  1. No es fácil simular estos circuitos.
  2. Es posible que una cantidad desconocida de carga quede atrapada en la compuerta flotante durante el proceso de fabricación, lo que dará como resultado una condición inicial desconocida para el voltaje de la compuerta flotante.

Entre las numerosas soluciones propuestas para la simulación por ordenador, uno de los métodos más prometedores es el Análisis Transitorio Inicial (ITA) propuesto por Rodríguez-Villegas, [ 22 ] donde las FG se establecen a cero voltios o a un voltaje previamente conocido basado en la medición de la carga atrapada en la FG después del proceso de fabricación. A continuación, se realiza un análisis transitorio con los voltajes de alimentación establecidos a sus valores finales, permitiendo que las salidas evolucionen normalmente. Los valores de las FG se pueden extraer y utilizar para simulaciones posteriores de pequeña señal, conectando una fuente de voltaje con el valor inicial de la FG a la puerta flotante mediante un inductor de muy alto valor.

Aplicaciones

El uso y las aplicaciones del FGMOS se pueden clasificar en dos grandes casos. Si la carga en la puerta flotante no se modifica durante el uso del circuito, el funcionamiento es de acoplamiento capacitivo.

En el régimen de acoplamiento capacitivo, la carga neta en la puerta flotante no se modifica. Ejemplos de aplicaciones para este régimen son sumadores de un solo transistor, convertidores digital-analógico (DAC), multiplicadores y funciones lógicas, e inversores de umbral variable.

El FGMOS, al utilizarse como elemento de carga programable, se emplea comúnmente en el almacenamiento no volátil, como en memorias flash , EPROM y EEPROM . En este contexto, los MOSFET de puerta flotante resultan útiles por su capacidad para almacenar carga eléctrica durante periodos prolongados sin necesidad de alimentación eléctrica. Otras aplicaciones del FGMOS incluyen su uso como elemento computacional neuronal en redes neuronales , elemento de almacenamiento analógico y potenciómetros electrónicos .

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Tuneling: Nueva memoria de puerta flotante con excelentes características de retención" . doi : 10.1002/aelm.201800726 . S2CID 139369906 . {{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  2. 1 2 3 Mead, Carver A.; Ismail, Mohammed, eds. (8 de mayo de 1989). Implementación analógica VLSI de sistemas neuronales (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. 1 2 M. Holler, S. Tam, H. Castro y R. Benson, "Una red neuronal artificial entrenable eléctricamente con 10240 sinapsis de 'puerta flotante'", Actas de la Conferencia Conjunta Internacional sobre Redes Neuronales , Washington, DC, vol. II, 1989, págs. 191-196
  4. 1 2 US2791761A , Morton, Jack A., "Conmutación y almacenamiento eléctrico", publicado el 7 de mayo de 1957 
  5. 1 2 US2791760A , Ross, Ian M., "Dispositivo de traducción semiconductor", emitido el 7 de mayo de 1957 
  6. ↑ US2802760A , Lincoln, Derick y Frosch, Carl J., "Oxidación de superficies semiconductoras para difusión controlada", publicado el 13 de agosto de 1957 
  7. ↑ Frosch, CJ; Derick, L (1957). "Protección de superficie y enmascaramiento selectivo durante la difusión en silicio" . Journal of the Electrochemical Society . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  8. ↑ KAHNG, D. (1961). "Dispositivo de superficie de dióxido de silicio-silicio" . Memorando técnico de los Laboratorios Bell : 583–596 . doi : 10.1142/9789814503464_0076 . ISBN 978-981-02-0209-5.{{cite journal}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
  9. ↑ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Berlín, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. pág. 321. ISBN  978-3-540-34258-8.
  10. ↑ Ligenza, JR; Spitzer, WG (1960). "Los mecanismos de oxidación del silicio en vapor y oxígeno" . Journal of Physics and Chemistry of Solids . 14 : 131–136 . Bibcode : 1960JPCS...14..131L . doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5 .
  11. ↑ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Springer Science & Business Media . pág. 120. ISBN  9783540342588.
  12. ↑ US3418493A , Vasil, Uzunoglu y Koenig, Jr Phillip R., "Dispositivo de memoria semiconductor", publicado el 24 de diciembre de 1968 
  13. ↑ US3258663A , Weimer, Paul, "Dispositivo de estado sólido con electrodo de puerta sobre película aislante delgada", publicado el 28 de junio de 1966 
  14. ↑ Kahng, Dawon ; Sze, Simon Min (1967). "Una puerta flotante y su aplicación a dispositivos de memoria". The Bell System Technical Journal . 46 (6): 1288– 1295. doi : 10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x .
  15. ↑ US3500142A , Kahng, Dawon, "Aparato semiconductor de efecto de campo con memoria que implica el atrapamiento de portadores de carga", publicado el 10 de marzo de 1970. 
  16. ↑ GB1517925A , "Transistores de efecto de campo de almacenamiento", publicado el 19 de julio de 1978. 
  17. ↑ Simko, Richard T. (17 de marzo de 1977). "Celda de memoria MOS programable y borrable eléctricamente" .
  18. ↑ Frohman-Bentchkowsky, Dov; Mar, Jerry; Perlegos, George; Johnson, William S. (15 de diciembre de 1978). "Dispositivo de memoria de puerta flotante MOS programable y borrable eléctricamente que emplea tunelización y método de fabricación del mismo" .
  19. ↑ A. Thomsen y MA Brooke, "Un MOSFET de puerta flotante con inyector de túnel fabricado mediante un proceso CMOS estándar de doble polisilicio", IEEE Electron Device Letters , vol. 12, 1991, págs. 111-113
  20. ↑ T. Shibata y T. Ohmi, "Un transistor MOS funcional con operaciones de suma ponderada y umbral a nivel de puerta", IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 39, n.º 6, 1992, págs. 1444–1455
  21. ^ Janwadkar, Sudhanshu (24 de octubre de 2017). «Fabricación de Puerta Flotante MOS (FLOTOX)» . www.slideshare.net .
  22. ↑ Rodríguez-Villegas, Esther. Diseño de circuitos de baja potencia y bajo voltaje con el transistor FGMOS
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