El MOSFET de compuerta flotante ( FGMOS ), también conocido como transistor MOS de compuerta flotante o transistor de compuerta flotante , es un tipo de transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) donde la compuerta está aislada eléctricamente, creando un nodo flotante en corriente continua , y una serie de compuertas secundarias o entradas se depositan sobre la compuerta flotante (FG) y están aisladas eléctricamente de ella. Estas entradas solo están conectadas capacitivamente a la FG. Dado que la FG está rodeada de 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. Por lo general, 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 utiliza comúnmente como celda de memoria de compuerta flotante , elemento de almacenamiento digital en EPROM , EEPROM y tecnologías de memoria 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 .
El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación superficial y usaran su descubrimiento para crear los primeros transistores planares. [4] [5] [6] [7] [8] [9] El primer informe de un FGMOS fue realizado más tarde en 1967 por Dawon Kahng y Simon Min Sze en Bell Labs. [10] 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 ). [11] Las aplicaciones iniciales de FGMOS fueron la memoria semiconductora digital , para almacenar datos no volátiles en EPROM , EEPROM y memoria flash .
Hasta 1974, las puertas flotantes simples no se podían borrar electrónicamente y no se producían en masa para el almacenamiento electrónico. Las FGMOS modernas que se utilizan en las memorias flash se basan en las puertas EEPROM de tunelización de Fowler-Nordheim, que fueron inventadas por Bernward y patentadas por Siemens en 1974 [12] y mejoradas por el israelí-estadounidense Eliyahou Harari en Hughes Aircraft Company y George Perlegos y otros en Intel. [13] [14]
En 1989, Intel empleó el FGMOS como un elemento de memoria no volátil analógico 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 del circuito FGMOS:
Un FGMOS se puede fabricar aislando eléctricamente la compuerta de un transistor MOS estándar [ aclaración necesaria ] , de modo que no haya conexiones resistivas a su compuerta. Luego, 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 la FG está completamente rodeada de material altamente resistivo. Por lo tanto, en términos de su punto de operación de CC, la FG es un nodo flotante.
Para aplicaciones en las que es necesario modificar la carga del FG, se añaden un par de pequeños transistores adicionales a cada transistor FGMOS para realizar las operaciones de inyección y tunelización. Las compuertas 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 está conectado de forma normal y se aplican voltajes específicos para crear portadores calientes que luego se inyectan a través de un campo eléctrico en la compuerta flotante.
El transistor FGMOS para uso puramente capacitivo se puede fabricar en versiones N o P. [17] Para aplicaciones de modificación de carga, el transistor de tunelización (y, por lo tanto, el FGMOS operativo) debe estar integrado en un pozo, por lo tanto, la tecnología dicta el tipo de FGMOS que se puede fabricar.
Las ecuaciones que modelan el funcionamiento en CC del FGMOS se pueden derivar 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 corriente de drenaje a fuente utilizando modelos de transistores MOS estándar. Por lo tanto, para derivar un conjunto de ecuaciones que modelen el funcionamiento de gran señal de un dispositivo FGMOS, es necesario encontrar la relación entre sus voltajes de entrada efectivos y el voltaje en su FG.
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 señal pequeños: N transconductancias de entrada efectivas , una transconductancia de salida y una transconductancia en masa, respectivamente:
donde es la capacitancia total vista por la compuerta flotante. Estas ecuaciones muestran dos desventajas del FGMOS en comparación con el transistor MOS:
En condiciones normales, un nodo flotante en un circuito representa un error porque su condición inicial es desconocida a menos que se solucione de alguna manera. Esto genera dos problemas:
Entre las muchas soluciones propuestas para la simulación por computadora, uno de los métodos más prometedores es el Análisis Transitorio Inicial (ITA, por sus siglas en inglés) propuesto por Rodríguez-Villegas, [18] donde las FG se fijan 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. Luego se ejecuta un análisis transitorio con los voltajes de suministro fijados a sus valores finales, dejando que las salidas evolucionen normalmente. Luego se pueden extraer los valores de las FG y utilizarlos para simulaciones posteriores de pequeña señal, conectando una fuente de voltaje con el valor inicial de FG a la compuerta flotante utilizando un inductor de valor muy alto.
El uso y las aplicaciones de los FGMOS se pueden clasificar en dos casos: si la carga en la compuerta flotante no se modifica durante el uso del circuito, la operación está acoplada capacitivamente.
En el régimen de funcionamiento acoplado capacitivamente, la carga neta en la compuerta flotante no se modifica. Ejemplos de aplicación de este régimen son los sumadores de transistores individuales, los DAC, los multiplicadores y las funciones lógicas y los inversores de umbral variable.
Utilizando el FGMOS como un elemento de carga programable, se utiliza comúnmente para almacenamiento no volátil como memoria flash , EPROM y EEPROM . En este contexto, los MOSFET de puerta flotante son útiles debido a su capacidad de almacenar una carga eléctrica durante períodos prolongados de tiempo sin una conexión a una fuente de alimentación. Otras aplicaciones del FGMOS son elemento computacional neuronal en redes neuronales , elemento de almacenamiento analógico y e-pots .
![{\displaystyle g_{mi}={\frac {C_{i}}{C_{T}}}g_{m}\quad {\mbox{para}}\quad i=[1,N]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e194d0688d39a0f12d724e488ee4ce3ab966bbde)
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