浮遊ゲートMOSFET

浮遊ゲートMOSFET（FGMOS）について

浮遊ゲートMOSFET（Floating-Gate MOSFET, FGMOS）は、従来のMOSFETと共通の構造を持つ電界効果トランジスタの一種です。FGMOSの最大の特徴は、ゲートが電気的に絶縁されている点で、これにより直流時に浮遊ノードを形成します。これにより、FGMOSはデジタル記憶素子やニューラルネットワークでの計算素子として利用されています。

仕組みと構造

FGMOSは、通常のMOSトランジスタのゲートが電気的に分離されており、多数の第2ゲートや入力端子がこの浮遊ゲート(FG)の上に堆積し、同様に絶縁されています。これらの入力端子は、FGに容量結合しています。FGは高抵抗物質に囲まれているため、蓄えられた電荷は長期間にわたって変わりません。電荷を変更するためには、Fowler-Nordheimトンネル効果やホットキャリア注入といったプロセスが用いられます。

このトランジスタはN型またはP型で製造でき、通常のMOSトランジスタ同様に、ドレイン-ソース間の電流を流しますが、FGMOSは浮遊ゲートの電圧を変えることで制御されます。注入トランジスタとトンネリングトランジスタにより、電荷の注入やトンネリングが可能になります。

歴史的背景

浮遊ゲートMOSFETの最初の報告は1967年に行われ、以降、EEPROM、フラッシュメモリなどにおけるデータの保存に活用されてきました。1989年、インテルはFGMOSを使用したETANNチップを発表し、他のデジタルメモリと異なるアプローチを示しました。現在のFGMOS開発においては、特定の研究が基礎を築き、さまざまな応用を促進しています。特に、ThomsenとBrookeは標準CMOSプロセスを用いて電子トンネル効果を実証しました。これにより、高度な製造プロセスなしでFGMOS回路を検証する道が開かれました。

モデル化とシミュレーション

FGMOSの動作は、大信号および小信号における数式を基にモデル化されます。小信号の場合、N-入力FGMOSデバイスはN-1個の端子を持ち、N個の相互コンダクタンスが定義されます。これにより、従来のMOSFETよりも出力特性が異なることが示されます。また、FGMOSをシミュレーションする際には、初期条件が未知であるため、Rodriguez-VillegasによるInitial Transient Analysisと呼ばれる手法が有効な解決策とされています。

応用と機能

FGMOSの応用は多岐にわたり、主にふたつの分類に分けることができます。一つは、浮遊ゲートの電荷が変化しない場合で、この閲覧では加算器やD/Aコンバータなどの容量結合型のデバイスが例として挙げられます。もう一つは、電荷を用いて書き込み可能な不揮発性メモリ、例えばフラッシュメモリやEEPROMなどに使われる方式です。この場合、浮遊ゲートがデータを長期間保持できるため、非常に重要な役割を果たします。さらに、ニューラルネットワークの計算素子やアナログ記憶素子、デジタルポテンショメータでも使用されています。

まとめ

浮遊ゲートMOSFETは、その特異な構造と特性から、多様な電子デバイスにおける応用が進んでおり、今後ますます注目される分野となっています。デジタル、アナログの両方での応用例が豊富であることから、FGMOSは半導体技術の重要な一端を担っています。

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