フローティングゲートMOSFET

フローティングゲート MOSFET ( FGMOS )は、フローティングゲート MOS トランジスタまたはフローティングゲート トランジスタとも呼ばれ、ゲートが電気的に分離されて直流のフローティングノードを作成し、多数の二次ゲートまたは入力がフローティングゲート (FG) 上に堆積されて電気的に分離されている金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET) の一種です。これらの入力は、 FG に容量的にのみ接続されています。FG は高抵抗材料に囲まれているため、そこに含まれる電荷は長期間^[1]変化せず、現代のデバイスでは通常 10 年以上変化しません。通常、ファウラー・ノルドハイム・トンネル効果またはホットキャリア注入メカニズムを使用して、FG に蓄積される電荷​​の量を変更します。

FGMOSは、フローティングゲートメモリセル、EPROM、EEPROM、フラッシュメモリ技術のデジタルストレージ素子とし​​て一般的に使用されています。FGMOSの他の用途には、ニューラルネットワークのニューロン計算素子、^{[2] [3]}アナログストレージ素子、^[2]デジタルポテンショメータ、シングルトランジスタDACなどがあります。

MOSFETは、フロッシュとデリックが表面不活性化を発見し、その発見を使って最初のプレーナトランジスタを作った後、1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。^{[4] [5] [6] [7] [8] [9] FGMOSの最初の報告は、その後1967年にベル研究所のダウォン・カーンと}サイモン・ミン・ゼーによってなされました。^[10] FGMOSの最も古い実用化はフローティングゲートメモリセルであり、カーンとゼーは、再プログラム可能なROM（読み取り専用メモリ）の製造に使用できると提案しました。^{[11] FGMOSの初期の用途は、} EPROM、EEPROM、フラッシュメモリに不揮発性データを格納するデジタル半導体 メモリでした。

1974年まで、単一のフローティングゲートは電子的に消去することができず、電子ストレージ用に大量生産されていませんでした。フラッシュメモリに使用されている現代のFGMOSは、ファウラー・ノルドハイムトンネルEEPROMゲートに基づいています。これは、ベルンワードによって発明され、1974年にシーメンスによって特許を取得しました^{[12] 。その後、}ヒューズ・エアクラフト・カンパニーのイスラエル系アメリカ人エリヤホウ・ハラリとインテルのジョージ・ペルレゴスらによってさらに改良されました。^{[13] [14]}

1989年、インテルは電気的に訓練可能な人工ニューラルネットワーク（ETANN）チップのアナログ不揮発性メモリ素子としてFGMOSを採用し、 ^[3] FGMOSデバイスをデジタルメモリ以外の用途に使用できる可能性を実証しました。

現在の FGMOS 回路開発の基礎となったのは、次の 3 つの研究成果です。

• トムセンとブルックによる標準的なCMOSダブルポリプロセスにおける電子トンネル効果の実証と使用^{[15]により、}多くの研究者が特殊な製造プロセスにアクセスすることなくFGMOS回路の概念を研究できるようになりました。
• ^{柴田と大見[16]}によるνMOS 、またはニューロンMOS回路アプローチは、線形計算にコンデンサを使用するための最初のインスピレーションとフレームワークを提供しました。これらの研究者は、デバイス特性ではなくFG回路特性に焦点を当て、UV光を使用して電荷を均等化するか、MOSFETスイッチを開閉してFG要素をシミュレートしました。
• カーバー・ミードの適応網膜^[2]は、連続的に動作するFGプログラミング/消去技術（この場合は紫外線）を適応回路技術のバックボーンとして使用した最初の例を示した。

FGMOS は、標準の MOS トランジスタのゲートを電気的に分離することによって製造できます^{[明確化が必要]}。これにより、ゲートへの抵抗接続がなくなります。次に、多数の二次ゲートまたは入力がフローティング ゲート (FG) の上に配置され、電気的に分離されます。FG は高抵抗材料で完全に囲まれているため、これらの入力は FG に容量的にのみ接続されます。したがって、DC 動作点に関して言えば、FG はフローティング ノードです。

FG の電荷を変更する必要があるアプリケーションでは、注入およびトンネリング操作を実行するために、各 FGMOS トランジスタに 1 組の小さな追加トランジスタが追加されます。各トランジスタのゲートは相互に接続されています。トンネリング トランジスタのソース、ドレイン、およびバルク端子は相互接続されており、容量性トンネリング構造を形成します。注入トランジスタは通常どおりに接続され、特定の電圧が印加されてホット キャリアが生成され、電界を介してフローティング ゲートに注入されます。

純粋に容量性用途のFGMOSトランジスタは、N型またはP型で製造できます。^[17] 電荷修正アプリケーションの場合、トンネルトランジスタ（したがって動作するFGMOS）をウェルに埋め込む必要があるため、技術によって製造できるFGMOSのタイプが決まります。

FGMOS の DC 動作をモデル化する方程式は、FGMOS の構築に使用される MOS トランジスタの動作を記述する方程式から導き出すことができます。FGMOS デバイスの FG の電圧を決定できれば、標準の MOS トランジスタ モデルを使用してドレインからソースへの電流を表現できます。したがって、FGMOS デバイスの大信号動作をモデル化する方程式のセットを導き出すには、その有効入力電圧と FG の電圧の関係を見つける必要があります。

N入力 FGMOS デバイスはMOS トランジスタよりもN −1 個多くの端子を持つため、N +2 個の小信号パラメータを定義できます。それぞれ、 N 個の有効入力トランスコンダクタンス、出力トランスコンダクタンス、およびバルクトランスコンダクタンスです。

${\displaystyle g_{mi}={\frac {C_{i}}{C_{T}}}g_{m}\quad {\mbox{for}}\quad i=[1,N]}$

${\displaystyle g_{dsF}=g_{ds}+{\frac {C_{GD}}{C_{T}}}g_{m}}$

${\displaystyle g_{mbF}=g_{mb}+{\frac {C_{GB}}{C_{T}}}g_{m}}$

ここで、はフローティング ゲートから見た総容量です。これらの式は、MOS トランジスタと比較した FGMOS の 2 つの欠点を示しています。 ${\displaystyle C_{T}}$

• 入力トランスコンダクタンスの低減
• 出力抵抗の低減

通常の状況では、回路内の浮動ノードは、何らかの方法で固定されない限り初期状態が不明であるため、エラーを表します。これにより、次の 2 つの問題が発生します。

1. これらの回路をシミュレートするのは簡単ではない
2. 製造プロセス中に、未知の量の電荷がフローティング ゲートに閉じ込められたままになる可能性があり、その結果、FG 電圧の初期条件が不明になります。

コンピュータシミュレーション用に提案されている多くのソリューションの中で、最も有望な方法の1つは、ロドリゲス・ビレガス氏によって提案された初期過渡解析（ITA）です。^[18]この方法では、FGはゼロボルトに設定されるか、または製造プロセス後にFGに捕捉された電荷の測定に基づいて既知の電圧に設定されます。次に、供給電圧を最終値に設定して過渡解析を実行し、出力が正常に変化するようにします。その後、FGの値を抽出して、非常に高い値のインダクタを使用して初期FG値の電圧供給をフローティングゲートに接続し、後続の小信号シミュレーションに使用できます。

FGMOS の使用法と用途は、大きく分けて 2 つのケースに分類できます。回路使用中にフローティング ゲートの電荷が変更されない場合、動作は容量結合されます。

容量結合動作モードでは、フローティング ゲートの正味電荷は変更されません。このモードのアプリケーション例としては、単一トランジスタ加算器、DAC、乗算器、論理関数、可変しきい値インバータなどがあります。

FGMOS をプログラム可能な電荷要素として使用すると、フラッシュ、EPROM、EEPROMメモリなどの不揮発性ストレージによく使用されます。このコンテキストでは、フローティング ゲート MOSFET は、電源に接続せずに長時間電荷を蓄積できるため便利です。FGMOS の他の用途としては、ニューラル ネットワークのニューロン計算要素、アナログ ストレージ要素、e-potsなどがあります。

• チャージトラップフラッシュ
• 鉄FET
• IGBT
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• Howstuffworks「ROM の仕組み」
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