基于浮柵MOS管的研究

摘 要：隨著集成電路技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)集成電路開始顯現(xiàn)出諸多缺陷以及迫切需要解決的問題，而浮柵MOS晶體管（Floating-gate MOS），作為具有單個器件較強功能性、多個輸入且閾值可以靈活控制的新型電子器件為解決這些問題提供了一種有效途徑。

關鍵詞：浮柵技術；浮柵MOS管；多輸入；閾值可控

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）12-039-03

Study on Floating Gate MOS Tube

WANG Siyuan

（Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：With the rapid development of integrated circuit technology，there are many defects and urgent problems to be solved in traditional integrated circuits. Floating gate MOS （Floating gate MOS），as a new electronic device with strong function of a single device，multiple inputs and flexible control of thresholds，provide an effective way to solve these problems.

Keywords：floating-gate technology；floating-gate MOS tube；multiple input；threshold controllable

1 浮柵技術的簡述

在上個世紀九十年代集成電路領域的科技工作者們提出了一種新型的電子器件--“浮柵器件”。它具有多個輸入、閾值可變且可以靈活地控制等特性。但受當時的工藝以及技術水平的限制，浮柵的技術并沒有受到廣泛的關注和應用。一直到了20世紀80年代末期浮柵技術才迎來它的時代，其最初是應用在存儲器相關領域。現(xiàn)在，隨著技術不斷地革新與發(fā)展，浮柵技術應用的領域也在不斷擴展，最為典型的就是在最熱門的人工智能領域的應用。目前，浮柵器件一般使用標準的雙層多晶硅工藝制造，在加法器電路、布爾函數(shù)實現(xiàn)電路、多米諾電路等一系列動態(tài)電路中都有應用。EPROM、Flash等常用的存儲器等都廣泛采用了浮柵技術。

2 浮柵MOS晶體管的特性

浮柵上儲存的電荷量決定浮柵MOS晶體管的閾值電壓的大小，存儲的電荷量的變化會使MOS管的外部特性發(fā)生改變。當源極和基底接地時，將足夠高的電壓加在M0S管的漏極和柵極上，那么位于漏極與基底之間的PN結將會反向被擊穿，與此同時會釋放許多高能電子。而這些電子能夠穿過較薄的二氧化硅層累積在浮柵上。那么此時浮柵將會帶有負電荷。而浮柵上所積累的電子會隨著時間的推移越積越多。在外加電壓消失后，堆積在浮柵上的電子因為沒有放電通路，而可以保存足夠長的時間。當浮柵上帶有負電荷時，基底表面所感應的為正電荷，因此MOS管的開啟電壓就會升高。此時，之前能夠讓MOS管導通的閾值電壓加在現(xiàn)在的MOS管的柵極上，MOS管將依然處于截止狀態(tài)。而存儲單元能夠存儲二進制數(shù)據(jù)也就是基于這一工作原理。

從圖1我們很容易發(fā)現(xiàn)，浮柵各柵極的輸入信號分別為V1，V2，V3，…，Vn。其中各柵極輸入端和柵極之間的耦合電容分別為C1，C2，C3，…，Cn，浮柵和襯底之間的電容為C0。每個耦合電容上的存儲電荷分別為Q0，Q1，Q2，Q3，…，Qn。假設不考慮浮柵器件的源極、漏極與浮柵之間的耦合電容，浮柵上的靜電荷QF為：

在式（5）中能夠發(fā)現(xiàn)，浮柵的閾值的幅值與所有輸入信號以及耦合電容的大小有一定關系。那么，可以得出可以通過改變輸入電壓和耦合電容來改變浮柵的閾值大小。這樣就能夠實現(xiàn)可變閾值、閾值可控的功能，這是浮柵最重要的、最明顯的特性。而從式（5）能夠得出，其有多個輸入端，實現(xiàn)了多輸入信號控制的功能，這也是浮柵另一個重要的特性。

3 浮柵MOS器件等效電路模型

通常我們會利用電路仿真來驗證所設計的電路，但是在HSPICE模型庫沒有現(xiàn)成的浮柵MOS器件的模型。因此，首先需要建立浮柵MOS的電路模型。浮柵的電容模型分為兩種：浮柵MOS管的電容模型和浮柵MOS互補管的電容模型，也是最常見的兩種模型。這兩種模型如圖2和圖3所示。

接下來再介紹第二種浮柵模型-HSPICE模型。同樣分為HSPICE浮柵MOS模型以及HSPICE浮柵MOS互補管模型。分別如圖4和圖5所示。

可以用以上所述的HSPICE浮柵MOS模型，采用TSMC0.35μm的工藝參數(shù)對模型進行基于HSPICE軟件下的仿真，通過模型仿真能夠檢驗模型的正確性。設定兩個輸入V1，V2，其中V1是從浮柵MOS管看進去的輸入端，V2為控制端，然后對V2進行直流掃描，從而得出門極電壓——漏極電流的特性曲線，如圖6所示。而我們能夠從文獻中查閱到門極電壓——漏極電流，如圖7所示。

通過對兩條特性曲線的比較，不難看出兩條曲線的趨勢幾乎一樣。因此，可以證明該模型是正確的。

4 結 論

浮柵M0S晶體管作為一種采用了浮柵技術的新型電子器件，憑借擁有多輸入信號控制與可變閾值、閾值可控等特點，正在以一種前所未有的速度被應用到包括存儲器在內的諸多領域。

參考文獻：

[1] 張家龍，何怡剛.浮柵技術及其應用 [J].現(xiàn)代電子技術，2004（24）：8-10.

[2] [美]Sung-Mo Kang.CMOS數(shù)字集成電路分析與設計 [M].王志功，竇建華，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2014：172-304.

[3] 聶瑩瑩，杭國強.基于浮柵MOS器件的數(shù)字電路設計研究 [D].杭州：浙江大學，2006.

作者簡介：王思遠（1994.03-），男，回族，江蘇揚州人，碩士研究生在讀。研究方向：數(shù)字集成電路設計。