MOSFET ذو البوابة العائمة

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

ترانزستور MOSFET ذو البوابة العائمة ( FGMOS )، المعروف أيضًا باسم ترانزستور MOS ذي البوابة العائمة ، هو نوع من ترانزستورات MOSFET حيث تكون البوابة معزولة كهربائيًا، مما يُنشئ عقدة عائمة في التيار المستمر . يتم وضع عدد من البوابات الثانوية أو المدخلات فوق البوابة العائمة (FG) وهي معزولة عنها كهربائيًا. تتصل هذه المدخلات بالبوابة العائمة (FG) فقط عن طريق التوصيل السعوي . ونظرًا لأن البوابة العائمة محاطة بمادة ذات مقاومة عالية، فإن الشحنة المخزنة فيها تبقى ثابتة لفترات طويلة [ 1 ] ، عادةً ما تزيد عن 10 سنوات في الأجهزة الحديثة. عادةً ما تُستخدم آليات نفق فاولر-نوردهايم أو حقن حاملات الشحنة الساخنة لتعديل كمية الشحنة المخزنة في البوابة العائمة.

تُستخدم تقنية FGMOS بشكل شائع كخلية ذاكرة ذات بوابة عائمة ، وعنصر تخزين رقمي في تقنيات ذاكرة EPROM و EEPROM وذاكرة الفلاش . تشمل الاستخدامات الأخرى لتقنية FGMOS عنصرًا حسابيًا عصبيًا في الشبكات العصبية ، [ 2 ] [ 3 ] وعنصر تخزين تناظري، [ 2 ] ومقاييس جهد رقمية ومحولات رقمية تناظرية أحادية الترانزستور .

تاريخ

تم تسجيل براءة اختراع مفهوم استخدام الشحنة المخزنة لتشغيل الترانزستورات في الذاكرة الإلكترونية لأول مرة بشكل منفصل من قبل جاك مورتون وإيان روس في عام 1955 في مختبرات بيل . [ 4 ] [ 5 ] اقترح كلاهما تخزين الشحنة في مادة كهروإجهادية على سطح أشباه الموصلات بهدف التحكم في الكهرباء لتخزين المعلومات. [ 4 ] [ 5 ] تم اختراع ترانزستور MOSFET في مختبرات بيل بين عامي 1955 و1960، بعد أن اكتشف فروتش وديريك تخميل سطح ثاني أكسيد السيليكون واستخدما اكتشافهما لإنشاء أول ترانزستورات مستوية . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] في عام 1961، حصل فاسيل أوزون أوغلو وفيليب كونيغ على براءة اختراع للفكرة المطبقة على ترانزستورات من نوع MOS، أيضًا للذاكرة الصلبة. [ 12 ] في عام 1961، حصل بول وايمر، من شركة آر سي إيه، على براءة اختراع لأقطاب كهربائية معزولة لأجهزة الحالة الصلبة. [ 13 ] وفي وقت لاحق، في عام 1967، قام داوون كانغ وسيمون مين سزي في مختبرات بيل بتصنيع ترانزستور FGMOS ذي عزل سميك بين القطب الكهربائي والمادة الكهروإجهادية، [ 14 ] وحصل كانغ على براءة اختراعه. [ 15 ]

حتى عام 1974، لم يكن من الممكن مسح البوابات العائمة المفردة إلكترونيًا، ولم تُنتج بكميات كبيرة للتخزين الإلكتروني. تعتمد تقنية FGMOS الحديثة المستخدمة في ذاكرة الفلاش على بوابات EEPROM النفقية من نوع فاولر-نوردهايم، والتي اخترعها بيرنوارد وحصلت شركة سيمنز على براءة اختراعها عام 1974 [ 16 ] ، ثم طورها لاحقًا الإسرائيلي الأمريكي إلياهو هاراري في شركة هيوز للطائرات ، وجورج بيرليغوس وآخرون في شركة إنتل. [ 17 ] تمثلت التطبيقات الأولية لتقنية FGMOS في ذاكرة أشباه الموصلات الرقمية ، لتخزين البيانات غير المتطايرة في ذاكرة EPROM و EEPROM وذاكرة الفلاش . [ 18 ]

في عام 1989، استخدمت شركة إنتل تقنية FGMOS كعنصر ذاكرة تناظرية غير متطايرة في شريحة الشبكة العصبية الاصطناعية القابلة للتدريب كهربائيا (ETANN)، [ 3 ] مما يدل على إمكانية استخدام أجهزة FGMOS لتطبيقات أخرى غير الذاكرة الرقمية.

ثلاثة إنجازات بحثية مهدت الطريق لجزء كبير من تطوير دوائر FGMOS الحالية:

  • لقد سمح عرض واستخدام تومسن وبروك لنفق الإلكترون في عملية CMOS القياسية المزدوجة متعددة البولي [ 19 ] للعديد من الباحثين بالتحقيق في مفاهيم دوائر FGMOS دون الحاجة إلى الوصول إلى عمليات تصنيع متخصصة.
  • قدّم نهج دائرة ν MOS، أو دائرة العصبون-MOS، الذي ابتكره شيباتا وأومي [ 20 ]، الإلهام الأولي والإطار اللازم لاستخدام المكثفات في الحسابات الخطية. ركّز هؤلاء الباحثون على خصائص دائرة FG بدلاً من خصائص الجهاز، واستخدموا إما ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمعادلة الشحنة، أو قاموا بمحاكاة عناصر FG عن طريق فتح وإغلاق مفاتيح MOSFET.
  • قدمت شبكية كارفر ميد التكيفية [ 2 ] أول مثال على استخدام تقنيات برمجة/محو FG التي تعمل باستمرار، وفي هذه الحالة ضوء الأشعة فوق البنفسجية، كعمود فقري لتقنية الدوائر التكيفية.

بناء

مقطع عرضي لترانزستور ذي بوابة عائمة

يمكن تصنيع ترانزستور FGMOS عن طريق عزل بوابة ترانزستور MOS قياسي كهربائيًا ، بحيث لا توجد أي توصيلات مقاومة ببوابته. ثم يتم وضع عدد من البوابات الثانوية أو المدخلات فوق البوابة العائمة (FG) وعزلها كهربائيًا عنها. هذه المدخلات متصلة بالبوابة العائمة (FG) فقط عن طريق التوصيل السعوي، نظرًا لأن البوابة العائمة محاطة بالكامل بمادة ذات مقاومة عالية. لذا، من حيث نقطة تشغيل التيار المستمر، تُعتبر البوابة العائمة عقدة عائمة.

في التطبيقات التي تتطلب تعديل شحنة البوابة العائمة، يُضاف زوج من الترانزستورات الصغيرة الإضافية إلى كل ترانزستور FGMOS لإجراء عمليات الحقن والنفق. تُوصل بوابات كل ترانزستور معًا؛ حيث تُوصل أطراف المصدر والمصب والجسم لترانزستور النفق لتكوين بنية نفق سعوية. أما ترانزستور الحقن، فيُوصل بشكل طبيعي، وتُطبق عليه جهود كهربائية محددة لتوليد حاملات شحنة ساخنة تُحقن بعد ذلك عبر مجال كهربائي في البوابة العائمة.

يمكن تصنيع ترانزستور FGMOS للاستخدام السعوي البحت بنسختين N أو P. [ 21 ] أما بالنسبة لتطبيقات تعديل الشحنة، فيجب تضمين ترانزستور النفق (وبالتالي ترانزستور FGMOS العامل) في بئر، ومن ثم تحدد التقنية نوع ترانزستور FGMOS الذي يمكن تصنيعه.

النمذجة

إشارة تيار مستمر كبيرة

يمكن اشتقاق المعادلات التي تُحاكي تشغيل التيار المستمر لترانزستور FGMOS من المعادلات التي تصف تشغيل ترانزستور MOS المستخدم في بنائه. إذا أمكن تحديد الجهد عند بوابة FGMOS، فمن الممكن حينها التعبير عن تيار المصرف إلى المصدر باستخدام نماذج ترانزستور MOS القياسية. لذا، لاشتقاق مجموعة من المعادلات التي تُحاكي تشغيل الإشارة الكبيرة لترانزستور FGMOS، من الضروري إيجاد العلاقة بين جهود دخله الفعالة والجهد عند بوابة FGMOS.

إشارة صغيرة

يحتوي جهاز FGMOS ذو N مدخل على N -1 طرفًا إضافيًا مقارنةً بترانزستور MOS، وبالتالي، يمكن تعريف N +2 من معلمات الإشارة الصغيرة: N من معاملات التوصيلية الفعالة للمدخل ، ومعامل التوصيلية للمخرج، ومعامل التوصيلية للكتلة. على التوالي:

زمأنا=جأناجتيزملأنا=[1،شمال]{\displaystyle g_{mi}={\frac {C_{i}}{C_{T}}}g_{m}\quad {\mbox{for}}\quad i=[1,N]}
زدsF=زدs+ججيدجتيزم{\displaystyle g_{dsF}=g_{ds}+{\frac {C_{GD}}{C_{T}}}g_{m}}
زمبF=زمب+ججيبجتيزم{\displaystyle g_{mbF}=g_{mb}+{\frac {C_{GB}}{C_{T}}}g_{m}}

أينجتي{\displaystyle C_{T}}تمثل السعة الكلية التي تراها البوابة العائمة. توضح هذه المعادلات عيبين في ترانزستور FGMOS مقارنةً بترانزستور MOS:

  • تقليل ناقلية الإدخال
  • انخفاض مقاومة الخرج

محاكاة

في الظروف العادية، تمثل العقدة العائمة في الدائرة خطأً لأن حالتها الابتدائية غير معروفة ما لم يتم تثبيتها بطريقة ما. وهذا يُولّد مشكلتين:

  1. ليس من السهل محاكاة هذه الدوائر
  2. قد تبقى كمية غير معروفة من الشحنة محتجزة عند البوابة العائمة أثناء عملية التصنيع، مما سيؤدي إلى حالة أولية غير معروفة لجهد البوابة العائمة.

من بين الحلول العديدة المقترحة لمحاكاة الحاسوب، تُعدّ طريقة التحليل العابر الأولي (ITA) التي اقترحها رودريغيز-فيليغاس [ 22 ] من أكثر الطرق الواعدة ، حيث تُضبط بوابات العوامة (FGs) على الصفر فولت أو على جهد معروف مسبقًا بناءً على قياس الشحنة المحتجزة فيها بعد عملية التصنيع. ثم يُجرى تحليل عابر مع ضبط جهود التغذية على قيمها النهائية، مما يسمح للمخرجات بالتطور بشكل طبيعي. بعد ذلك، يمكن استخراج قيم بوابات العوامة واستخدامها في محاكاة الإشارات الصغيرة اللاحقة، وذلك بتوصيل مصدر جهد بقيمة بوابة العوامة الأولية بالبوابة العائمة باستخدام محث ذي قيمة عالية جدًا.

التطبيقات

يمكن تصنيف استخدامات وتطبيقات ترانزستور FGMOS بشكل عام إلى حالتين. إذا لم تتغير الشحنة في البوابة العائمة أثناء استخدام الدائرة، فإن العملية تكون مقترنة سعويًا.

في نظام التشغيل ذي الاقتران السعوي، لا تتغير الشحنة الصافية في البوابة العائمة. ومن أمثلة تطبيقات هذا النظام: جامعات الترانزستور الواحد، ومحولات DAC، والمضاعفات، والوظائف المنطقية، وعواكس العتبة المتغيرة.

يُستخدم ترانزستور MOSFET ذو البوابة العائمة (FGMOS) كعنصر شحن قابل للبرمجة، ويُستخدم عادةً في التخزين غير المتطاير مثل ذاكرة الفلاش ، وذاكرة EPROM، وذاكرة EEPROM . في هذا السياق، يُعدّ ترانزستور MOSFET ذو البوابة العائمة مفيدًا لقدرته على تخزين الشحنة الكهربائية لفترات طويلة دون الحاجة إلى مصدر طاقة. تشمل التطبيقات الأخرى لترانزستور FGMOS عنصر الحوسبة العصبية في الشبكات العصبية ، وعنصر التخزين التناظري، ومقاييس الجهد الإلكترونية .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "النفق: ذاكرة بوابة عائمة جديدة ذات خصائص احتفاظ ممتازة" . doi : 10.1002/aelm.201800726 . S2CID 139369906 . {{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  2. 1 2 3 ميد، كارفر أ.؛ إسماعيل، محمد، محرران. (8 مايو 1989). التنفيذ التناظري لأنظمة VLSI العصبية (ملف PDF) . سلسلة كلوير الدولية في الهندسة وعلوم الحاسوب. المجلد 80. نورويل، ماساتشوستس: كلوير أكاديميك بابليشرز . doi : 10.1007/978-1-4613-1639-8 . ISBN  978-1-4613-1639-8.
  3. 1 2 م. هولر، س. تام، هـ. كاسترو، و ر. بنسون، "شبكة عصبية اصطناعية قابلة للتدريب كهربائياً مع 10240 مشبكًا عصبيًا من نوع "البوابة العائمة"، وقائع المؤتمر الدولي المشترك حول الشبكات العصبية ، واشنطن العاصمة، المجلد الثاني، 1989، الصفحات 191-196
  4. 1 2 US2791761A ، مورتون، جاك أ.، "التبديل والتخزين الكهربائي"، صدر في 1957-05-07 
  5. 1 2 US2791760A ، روس، إيان م.، "جهاز ترجمة شبه موصل"، صدر في 1957-05-07 
  6. ↑ US2802760A ، لينكولن، ديريك وفروش ، كارل جيه، "أكسدة الأسطح شبه الموصلة من أجل الانتشار المتحكم فيه"، صدر في 13 أغسطس 1957 
  7. ↑ فروتش، سي جيه؛ ديريك، إل (1957). "حماية السطح والتغطية الانتقائية أثناء الانتشار في السيليكون" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  8. ↑ كانغ، د. (1961). "جهاز سطحي من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون" . مذكرة فنية لمختبرات بيل : 583-596 . doi : 10.1142/9789814503464_0076 . ISBN 978-981-02-0209-5.{{cite journal}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  9. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ برلين هايدلبرغ. ص 321. ISBN  978-3-540-34258-8.
  10. ↑ ليجينزا، جيه آر؛ سبيتزر، دبليو جي (1960). "آليات أكسدة السيليكون في البخار والأكسجين" . مجلة فيزياء وكيمياء المواد الصلبة . 14 : 131-136 . Bibcode : 1960JPCS...14..131L . doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5 .
  11. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . ص 120. ISBN  9783540342588.
  12. ↑ US3418493A ، فاسيل، أوزون أوغلو وكوينغ الابن، فيليب ر.، "جهاز ذاكرة أشباه الموصلات"، صدر بتاريخ 24 ديسمبر 1968 
  13. ↑ US3258663A ، وايمر، بول، "جهاز الحالة الصلبة ذو قطب بوابة على غشاء عازل رقيق"، صدر في 28 يونيو 1966 
  14. ↑ كانغ، داوون ؛ سزي، سيمون مين (1967). "بوابة عائمة وتطبيقها على أجهزة الذاكرة". مجلة بيل سيستم التقنية . 46 (6): 1288-1295 . doi : 10.1002/j.1538-7305.1967.tb01738.x .
  15. ↑ US3500142A ، كاهنغ، داوون، "جهاز أشباه موصلات ذو تأثير المجال مع ذاكرة تتضمن احتجاز حاملات الشحنة"، صدر في 10 مارس 1970 
  16. ↑ GB1517925A ، "ترانزستورات تأثير المجال التخزيني"، صدر بتاريخ 19-07-1978 
  17. ↑ سيمكو، ريتشارد تي. (17 مارس 1977). "خلية ذاكرة MOS قابلة للبرمجة كهربائياً وقابلة للمسح كهربائياً" .
  18. ↑ فروهمان-بنتشكوفسكي، دوف؛ مار، جيري؛ بيرليغوس، جورج؛ جونسون، ويليام س. (15 ديسمبر 1978). "جهاز ذاكرة بوابة عائمة MOS قابل للبرمجة والمسح كهربائياً يستخدم النفق وطريقة تصنيعه" .
  19. ↑ أ. تومسن و م. أ. بروك، "ترانزستور MOSFET ذو بوابة عائمة مع حاقن نفقي مصنّع باستخدام عملية CMOS قياسية مزدوجة البولي سيليكون"، رسائل أجهزة الإلكترونيات IEEE ، المجلد 12، 1991، الصفحات 111-113
  20. ↑ تي. شيباتا وتي. أوهومي، "ترانزستور MOS وظيفي يتميز بعمليات الجمع الموزون على مستوى البوابة وعمليات العتبة"، معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية ، المجلد 39، العدد 6، 1992، الصفحات 1444-1455
  21. ^ جانوادكار ، سودهانشو (2017-10-24). "تصنيع البوابة العائمة MOS (FLOTOX)" . www.slideshare.net .
  22. ↑ رودريغيز-فيليغاس، إستر. تصميم دوائر منخفضة الطاقة والجهد باستخدام ترانزستور FGMOS