摘 要：随着集成电路技术的迅猛发展，传统集成电路开始显现出诸多缺陷以及迫切需要解决的问题，而浮栅MOS晶体管（Floating-gate MOS），作为具有单个器件较强功能性、多个输入且阈值可以灵活控制的新型电子器件为解决这些问题提供了一种有效途径。
关键词：浮栅技术；浮栅MOS管；多输入；阈值可控
中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：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 浮栅技术的简述
在上个世纪九十年代集成电路领域的科技工作者们提出了一种新型的电子器件--“浮栅器件”。它具有多个输入、阈值可变且可以灵活地控制等特性。但受当时的工艺以及技术水平的限制，浮栅的技术并没有受到广泛的关注和应用。一直到了20世纪80年代末期浮栅技术才迎来它的时代，其最初是应用在存储器相关领域。现在，随着技术不断地革新与发展，浮栅技术应用的领域也在不断扩展，最为典型的就是在最热门的人工智能领域的应用。目前，浮栅器件一般使用标准的双层多晶硅工艺制造，在加法器电路、布尔函数实现电路、多米诺电路等一系列动态电路中都有应用。EPROM、Flash等常用的存储器等都广泛采用了浮栅技术。
2 浮栅MOS晶体管的特性
浮栅上储存的电荷量决定浮栅MOS晶体管的阈值电压的大小，存储的电荷量的变化会使MOS管的外部特性发生改变。当源极和基底接地时，将足够高的电压加在M0S管的漏极和栅极上，那么位于漏极与基底之间的PN结将会反向被击穿，与此同时会释放许多高能电子。而这些电子能够穿过较薄的二氧化硅层累积在浮栅上。那么此时浮栅将会带有负电荷。而浮栅上所积累的电子会随着时间的推移越积越多。在外加电压消失后，堆积在浮栅上的电子因为没有放电通路，而可以保存足够长的时间。当浮栅上带有负电荷时，基底表面所感应的为正电荷，因此MOS管的开启电压就会升高。此时，之前能够让MOS管导通的阈值电压加在现在的MOS管的栅极上，MOS管将依然处于截止状态。而存储单元能够存储二进制数据也就是基于这一工作原理。
从图1我们很容易发现，浮栅各栅极的输入信号分别为V1，V2，V3，…，Vn。其中各栅极输入端和栅极之间的耦合电容分别为C1，C2，C3，…，Cn，浮栅和衬底之间的电容为C0。每个耦合电容上的存储电荷分别为Q0，Q1，Q2，Q3，…，Qn。假设不考虑浮栅器件的源极、漏极与浮栅之间的耦合电容，浮栅上的静电荷QF为：
在式（5）中能够发现，浮栅的阈值的幅值与所有输入信号以及耦合电容的大小有一定关系。那么，可以得出可以通过改变输入电压和耦合电容来改变浮栅的阈值大小。这样就能够实现可变阈值、阈值可控的功能，这是浮栅最重要的、最明显的特性。而从式（5）能够得出，其有多个输入端，实现了多输入信号控制的功能，这也是浮栅另一个重要的特性。
3 浮栅MOS器件等效电路模型
通常我们会利用电路仿真来验证所设计的电路，但是在HSPICE模型库没有现成的浮栅MOS器件的模型。因此，首先需要建立浮栅MOS的电路模型。浮栅的电容模型分为两种：浮栅MOS管的电容模型和浮栅MOS互补管的电容模型，也是最常见的两种模型。这两种模型如图2和图3所示。
接下来再介绍第二种浮栅模型-HSPICE模型。同样分为HSPICE浮栅MOS模型以及HSPICE浮栅MOS互补管模型。分别如图4和图5所示。
可以用以上所述的HSPICE浮栅MOS模型，采用TSMC0.35μm的工艺参数对模型进行基于HSPICE软件下的仿真，通过模型仿真能够检验模型的正确性。设定两个输入V1，V2，其中V1是从浮栅MOS管看进去的输入端，V2为控制端，然后对V2进行直流扫描，从而得出门极电压——漏极电流的特性曲线，如图6所示。而我们能够从文献中查阅到门极电压——漏极电流，如图7所示。
通过对两条特性曲线的比较，不难看出两条曲线的趋势几乎一样。因此，可以证明该模型是正确的。
4 结 论
浮栅M0S晶体管作为一种采用了浮栅技术的新型电子器件，凭借拥有多输入信号控制与可变阈值、阈值可控等特点，正在以一种前所未有的速度被应用到包括存储器在内的诸多领域。
参考文献：
[1] 张家龙，何怡刚.浮栅技术及其应用 [J].现代电子技术，2004（24）：8-10.
[2] [美]Sung-Mo Kang.CMOS数字集成电路分析与设计 [M].王志功，窦建华，译.北京：电子工业出版社，2014：172-304.
[3] 聂莹莹，杭国强.基于浮栅MOS器件的数字电路设计研究 [D].杭州：浙江大学，2006.
作者简介：王思远（1994.03-），男，回族，江苏扬州人，硕士研究生在读。研究方向：数字集成电路设计。
