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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、ゲートが電気的に絶縁され、直流でフローティングノードを形成す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。フローティングゲート（FG）の上には、多数の二次ゲートまたは入力が配置され、電気的に絶縁されています。これらの入力は、容量的にのみFGに接続されています。FGは高抵抗材料に囲まれているため、そこに蓄積された電荷は長期間[ 1 ]変化せず、最新のデバイスでは通常10年以上になります。通常、FGに蓄積された電荷量を変更するために、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が使用されます。
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におけるデジタル記憶素子として一般的に使用されています。FGMOSのその他の用途には、ニューラルネットワークにおけるニューロン演算素子[ 2 ] [ 3 ]、アナログ記憶素子[ 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。
電子メモリ用のトランジスタをゲートするために蓄積された電荷を使用するという概念は、1955 年にベル研究所のジャック・モートンとイアン・ロスによって初めて別々に特許取得されました。[ 4 ] [ 5 ]両者とも、情報記憶のための電気をゲートする目的で、半導体の表面の強誘電体に電荷を蓄積することを提案しました。[ 4 ] [ 5 ] MOSFETは、フロッシュとデリックが表面二酸化ケイ素パッシベーションを発見し、その発見を利用して最初のプレーナー型トランジスタを作成した後、1955 年から 1960 年の間にベル研究所で発明されました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8][9 ][10][11] 1961年に、ヴァシル・ウズノグルとフィリップ・ケーニッヒは、固体メモリにも使用される MOS 型トランジスタに適用されたアイデアの特許を取得しました。[ 12 ] 1961年に、RCA のポール・ワイマーは、固体デバイス用の絶縁電極の特許を取得しました。[ 13 ]電極と強誘電体の間に厚い絶縁体を持つ FGMOS は、その後 1967 年にベル研究所のDawon Kahng とSimon Min Szeによって作られ[ 14 ]、Kahng によって特許が取得されました。[ 15 ]
1974 年までは、単一の浮遊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最新の FGMOS 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が取得された Fowler-Nordheim トンネル EEPROM ゲートに基づいており[ 16 ] 、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のエリヤホウ 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[ 17 ] 。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保存するデジタル半導体メモリでした[ 18 ]。
1989年、インテルはFGMOSをアナログ不揮発性メモリ素子として電気的に学習可能な人工ニューラルネットワーク（ETANN）チップに採用し[ 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示した。
以下の3つの研究成果が、現在のFGMOS回路開発の基礎を築いた。
FGMOSは、標準的なMOSトランジスタのゲートを電気的に絶縁することで作製できます。これにより、ゲートへの抵抗接続がなくなります。次に、フローティングゲート（FG）の上に複数の二次ゲートまたは入力が形成され、FGから電気的に絶縁されます。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となります。
FGの電荷を調整する必要がある用途では、注入およびトンネル動作を行うために、各FGMOSトランジスタに一対の小型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、トンネル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容量性トンネル構造を形成します。注入トランジスタは通常通り接続され、特定の電圧を印加することで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。
純粋に容量性用途向けのFGMOSトランジスタは、N型またはP型で製造できます。[ 21 ] 電荷変更用途では、トンネルトランジスタ（したがって動作中のFGMOS）をウェルに埋め込む必要があるため、製造可能なFGMOSの種類は技術によって決まります。
FGMOSの直流動作をモデル化する方程式は、FGMOSを構成するMOSトランジスタの動作を記述する方程式から導出できます。FGMOSデバイスのFGにおける電圧を決定できれば、標準的なMOSトランジスタモデルを用いてドレイン・ソース間電流を表現することが可能です。したがって、FGMOSデバイスの大信号動作をモデル化する一連の方程式を導出するには、その実効入力電圧とFGにおける電圧との関係を求める必要があります。
N入力FGMOSデバイスは、MOSトランジスタよりもN -1個多い端子を持つため、 N +2個の小信号パラメータを定義できます。すなわち、 N個の実効入力相互コンダクタンス、出力相互コンダクタンス、およびバルク相互コンダクタンスです。それぞれ次のようになります。
どこは、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。
通常の状態では、回路内の浮動ノードは、何らかの方法で修正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。
コンピュータシミュレーション用に提案された多くのソリューションの中で、最も有望な方法の 1 つは Rodriguez-Villegas によって提案された初期過渡解析 (ITA) [ 22 ]です。この方法では、FG 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、ゼロボルトまたは既知の電圧に設定されます。次に、電源電圧を最終値に設定して過渡解析を実行し、出力が通常どおり変化するようにします。その後、FG の値を抽出して、後続の小信号シミュレーションに使用できます。このシミュレーションでは、初期 FG 値を持つ電源を非常に高い値のインダクタを使用してフローティングゲートに接続します。
FGMOSの使用方法と応用は、大きく2つのケースに分類できます。フローティングゲート内の電荷が回路使用中に変化しない場合、動作は容量結合型となります。
容量結合動作モードでは、フローティングゲート内の正味電荷は変化しません。このモードの応用例としては、単一トランジスタ加算器、DAC、乗算器、論理関数、可変閾値インバータなどが挙げられます。
FGMOSはプログラマブル電荷素子として、フラッシュメモリ、EPROM、EEPROMなどの不揮発性ストレージに広く用いられています。この用途において、フローティングゲートMOSFETは、電源に接続せずに長期間電荷を蓄積できるため有用です。FGMOSのその他の用途としては、ニューラルネットワークにおけるニューロン演算素子、アナログ記憶素子、および電気ポテンショメータ（ e-pot）などが挙げられます。
![{\displaystyle g_{mi}={\frac {C_{i}}{C_{T}}}g_{m}\quad {\mbox{for}}\quad i=[1,N]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e194d0688d39a0f12d724e488ee4ce3ab966bbde)
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