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 semiconductor de óxido metálico (MOSFET) donde la puerta está aislada eléctricamente, creando una nodo en corriente continua , y una serie de compuertas o entradas secundarias se depositan encima de la compuerta flotante (FG) y se aíslan eléctricamente de ella. Estas entradas sólo están conectadas capacitivamente al FG. Dado que el FG está rodeado por un material altamente resistivo, la carga que contiene permanece sin cambios durante largos períodos de tiempo [1] , normalmente más de 10 años en los dispositivos modernos. Por lo general, se utilizan mecanismos de inyección de portadores calientes y túneles de Fowler-Nordheim para modificar la cantidad de carga almacenada en el FG.
El FGMOS se utiliza comúnmente como celda de memoria de puerta flotante , el 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 .
El primer MOSFET fue inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959 y presentado en 1960. [4] El primer informe de un FGMOS fue realizado más tarde por Dawon Kahng y Simon Min Sze en Bell Labs, y data de 1967. [5] 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 ). [6] Las aplicaciones iniciales de FGMOS fueron la memoria semiconductora digital , para almacenar datos no volátiles en EPROM , EEPROM y memoria flash .
En 1989, Intel empleó el FGMOS como un elemento de memoria analógico no volátil en su chip de red neuronal artificial entrenable eléctricamente (ETANN), [3] demostrando el potencial del uso de dispositivos FGMOS para aplicaciones distintas a la memoria digital.
Tres logros de la investigación sentaron las bases para gran parte del desarrollo actual del circuito FGMOS:
Se puede fabricar un FGMOS aislando eléctricamente la puerta de un transistor MOS estándar [ se necesita aclaración ] , de modo que no haya conexiones resistivas a su puerta. Luego se depositan varias puertas o entradas secundarias encima de la puerta flotante (FG) y se aíslan eléctricamente de ella. Estas entradas sólo están conectadas capacitivamente al FG, ya que el FG está completamente rodeado por un material altamente resistivo. Entonces, en términos de su punto de operación DC, el FG es un nodo flotante.
Para aplicaciones donde es necesario modificar la carga del FG, 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 conectadas entre sí; El transistor de túnel tiene sus terminales de fuente, drenaje y volumen interconectados para crear una estructura de túnel capacitiva. El transistor de inyección se conecta normalmente y se aplican voltajes específicos para crear 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. [9] Para aplicaciones de modificación de carga, el transistor de túnel (y por lo tanto el FGMOS operativo) debe integrarse en un pozo, por lo que 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 drenaje a la fuente de corriente utilizando modelos de transistores MOS estándar. Por lo tanto, para derivar un conjunto de ecuaciones que modelen la operación de señal grande 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 masiva. Respectivamente:
¿Dónde está la capacitancia total vista por la compuerta flotante? Estas ecuaciones muestran dos inconvenientes del FGMOS en comparación con el transistor MOS:
En condiciones normales, un nodo flotante en un circuito representa un error porque se desconoce su condición inicial a menos que se arregle de alguna manera. Esto genera dos problemas:
Entre las muchas soluciones propuestas para la simulación por computadora, uno de los métodos más prometedores es un Análisis Transitorio Inicial (ITA) propuesto por Rodríguez-Villegas, [10] donde los FG se configuran en cero voltios o un voltaje previamente conocido basado en la medición. de la carga atrapada en el FG después del proceso de fabricación. Luego se ejecuta un análisis transitorio con las tensiones de alimentación establecidas en sus valores finales, dejando que las salidas evolucionen normalmente. Luego, los valores de los FG se pueden extraer y utilizar 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 muy alto valor.
El uso y las aplicaciones del FGMOS se pueden clasificar en términos generales en dos casos. Si la carga en la compuerta flotante no se modifica durante el uso del circuito, la operación es acoplada capacitivamente.
En el régimen de operación acoplado capacitivamente, la carga neta en la compuerta flotante no se modifica. Ejemplos de aplicación de este régimen son los sumadores de un solo transistor, los DAC, los multiplicadores y funciones lógicas, y los inversores de umbral variable.
Al utilizar el FGMOS como elemento de carga programable, se usa 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 largos períodos de tiempo sin conexión a una fuente de alimentación. Otras aplicaciones del FGMOS son el elemento computacional neuronal en redes neuronales , el elemento de almacenamiento analógico y los e-pots .
![{\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)
