FGMOS – Floating Gate MOSFET (pływający bramkowy tranzystor MOS)
FGMOS, czyli Floating Gate MOSFET, to specjalny typ tranzystora MOSFET, w którym bramka jest izolowana i „pływa” pomiędzy warstwami dielektrycznymi. Dzięki temu konstrukcja ta umożliwia przechowywanie ładunku elektrycznego na bramce przez bardzo długi czas, co jest wykorzystywane przede wszystkim w pamięciach typu Flash, a także w różnych czujnikach i układach analogowych. Dzisiaj chciałbym przybliżyć Ci, jak działa FGMOS, jakie ma właściwości i gdzie znajduje zastosowanie, abyś mógł lepiej zrozumieć jego rolę w nowoczesnej elektronice.
Budowa i zasada działania FGMOS
Standardowy MOSFET posiada bramkę bezpośrednio połączoną z elektrodami sterującymi. W FGMOS bramka jest całkowicie otoczona warstwą izolacyjną (najczęściej tlenkiem krzemu), która elektrycznie ją odseparowuje od reszty tranzystora. Ta „pływająca” bramka może akumulować elektrony lub dziury, co wpływa na próg napięcia przełączania tranzystora (threshold voltage). Dzięki temu można zapisać stan logiczny lub zmierzyć wartości sygnałów analogowych poprzez zmianę ładunku na bramce.
Zastosowanie w pamięciach Flash i EEPROM
Najczęstsze zastosowanie FGMOS to pamięci nieulotne typu Flash czy EEPROM. W tych układach ładunek elektryczny jest zapisywany na pływającej bramce, co pozwala przechowywać dane nawet po wyłączeniu zasilania. Programowanie i kasowanie pamięci odbywa się poprzez zjawiska tunelowe (tunelowanie elektronów przez cienką warstwę izolacyjną) lub zjawisko hot-electron injection, które pozwalają na dodawanie lub usuwanie ładunku z pływającej bramki.
Zalety i wyzwania konstrukcyjne
- Wysoka gęstość zapisu danych dzięki możliwości integracji wielu FGMOS na małej powierzchni
- Stabilność ładunku na pływającej bramce gwarantuje długi czas przechowywania danych
- Wysoka odporność na zakłócenia elektromagnetyczne
- Wyzwania związane z procesem produkcji – cienkie warstwy izolacyjne muszą być bardzo jednorodne
- Ograniczona liczba cykli zapisu i kasowania, co jest typowe dla pamięci Flash
FGMOS w układach analogowych i sensoryce
Poza pamięciami, FGMOS znajduje zastosowanie w układach analogowych, np. jako elementy wzmacniaczy z możliwością adaptacji parametrów lub w czujnikach chemicznych i biologicznych. Możliwość trwałego zapisu sygnału w postaci zgromadzonego ładunku pozwala na projektowanie układów, które samodzielnie kalibrują się lub zapamiętują zmiany sygnałów środowiskowych.
Wpływ FGMOS na rozwój mikrosystemów i MEMS
FGMOS jest też ważnym elementem w systemach mikromechanicznych (MEMS), gdzie precyzyjne przetwarzanie sygnałów analogowych oraz niska moc są kluczowe. Dzięki możliwości programowania i zapamiętywania sygnałów analogowych, FGMOS pozwala na bardziej złożone funkcje w ograniczonych przestrzeniach i przy minimalnym zużyciu energii.
Podsumowanie i dalsze kroki
Jak widzisz, FGMOS to nie tylko technologia pamięci, ale też ważny element układów analogowych i sensorów. Jego działanie opiera się na unikalnej konstrukcji pływającej bramki, która pozwala na trwałe przechowywanie ładunku. Zrozumienie FGMOS jest pomocne także przy poznawaniu innych elementów półprzewodnikowych, takich jak standardowe MOSFETy czy EEPROM. W kolejnych artykułach przyjrzymy się bardziej szczegółowo technikom programowania i kasowania pamięci Flash, które wykorzystują FGMOS, oraz różnym zastosowaniom FGMOS w zaawansowanych systemach analogowych i cyfrowych.