93.240.145.106: "Verringerung" ist hier inkonsistent zur Zustandstabelle weiter unten. Der Transistor sperrt doch, wenn die Schwellspannung erhöht wird?!

2020-05-04T14:57:25Z

"Verringerung" ist hier inkonsistent zur Zustandstabelle weiter unten. Der Transistor sperrt doch, wenn die Schwellspannung erhöht wird?!

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Ein '''Floating-Gate-Transistor''' ist ein spezieller [[Transistor]], der in [[Nichtflüchtiger Speicher|nichtflüchtigen Speichern]] zur permanenten Informationsspeicherung eingesetzt wird. Er wurde 1967 von [[Dawon Kahng]] und [[Simon Min Sze]] in den [[Bell Laboratories]] entwickelt<ref>D. Kahng, S. M. Sze: ''A floating-gate and its application to memory devices.'' In: ''The Bell System Technical Journal.'' 46, Nr. 4, 1967, S. 1288–1295.</ref> und stellte bis zum Anfang der 2000er Jahre in [[Integrierte Schaltung|integrierten Schaltungen]] bei den [[Flash-Speicher]]n, Floating-Gate-[[Programmable Read-Only Memory|PROMs]], [[EPROM]]s und [[EEPROM]]s das elementare Speicherelement dar.

Floating-Gate-Transistoren werden in Flashspeichern, insbesondere den [[NAND-Flash]], zunehmend durch [[Charge-Trapping-Speicher|Charge-Trap-Flash]] (CTF) ersetzt. Durch die Vermeidung von Störeffekten, welche primär durch eng benachbarte Floating-Gate-Transistoren verursacht sind, können in CTFs kleinere Strukturgrößen und höhere Speicherdichten pro [[Die (Halbleitertechnik)|Chipfläche]] als mit Floating-Gates realisiert werden.<ref>Betty Prince: ''Evolution of Flash Memories: Nitride Storage and Silicon Nanocrystal'', 2006, CMOSET Conference Proceedings</ref>

== Allgemeines ==
[[Datei:Floating gate transistor-en.svg|mini|rechts|Schnittdarstellung durch einen FGMOS-Transistor]]
[[Datei:FGMOS Symbol.svg|mini|rechts|Schaltsymbol eines FGMOS mit einem Floating-Gate (dicke Linie) und drei Steuergates V1,2,3]]
Floating-Gate-Transistoren, abgekürzt auch als ''FGMOS'' bezeichnet, zählen zu der Gruppe der [[Feldeffekttransistoren]] mit [[IGFET|isoliertem Gate]] (IGFETs) und werden üblicherweise aus dem Halbleitermaterial [[Silicium]] hergestellt. Neben einer oder gelegentlich mehreren Steuerelektroden (in der Abbildung ''V'') enthält er ein „Floating-Gate“ (dt. ‚nicht angeschlossene Steuerelektrode‘), das elektrisch isoliert ist. Auf diesem Floating-Gate kann eine bestimmte Menge an [[Elektrische Ladung|elektrischer Ladung]] permanent gespeichert werden, die zu einer Verschiebung der [[Schwellspannung]] (''V''th) des Transistors führt. Zum Auslesen der Information dienen wie bei herkömmlichen IGFETs die Anschlüsse ''Source'' (''S'') und ''Drain'' (''D''), während zum Beschreiben zusätzlich die Steueranschlüsse benötigt werden. Der Anschluss ''Bulk'' (B) ist meist mit [[Masse (Elektronik)|Massepotential]] verbunden.

Das Einbringen bzw. Entfernen der elektrischen Ladung ([[Elektron]]en) im Rahmen des Schreibvorganges auf das elektrisch durch z. B. [[Siliciumdioxid]] isolierte Floating-Gate erfolgt durch den quantenmechanischen [[Tunneleffekt]] bzw. durch die [[Injektion heißer Ladungsträger]] (engl. {{lang|en|''hot-carrier injection''}}) vom Source- bzw. Drain-Anschluss aus, unter Zuhilfenahme eines Steueranschlusses (engl. {{lang|en|''control gate''}}). Für den Programmiervorgang ist eine deutlich höhere [[elektrische Spannung]] notwendig als für den normalen Lesebetrieb (z. B. 10 V gegenüber 3,3 V).

Bei fehlender Ladung am Floating-Gate wird die Drain-Source-Strecke nicht beeinflusst und der Transistor verhält sich wie ein normaler MOSFET des gleichen Typs. Für einen typischen FGFET vom Typ eines Anreicherungs-n-Kanal-MOSFETs (engl. {{lang|en|''enhancement n-channel MOSFET''}}) bedeutet dies, dass der Transistor bei einer Gatespannung von 0 V nichtleitend und nach Überschreiten der Schwellspannung leitend ist. Eine auf das Floating-Gate eingebrachte Ladung verschiebt jedoch die Schwellspannung des Transistors. So bewirkt das Einbringen von Elektronen (negativen Ladungen) auf das Floating-Gate bei diesen Transistoren eine Erhöhung der Schwellspannung. Wird der Transistor beim Auslesen nun normal angesteuert, verbleibt die Drain-Source-Strecke des Transistors in einem hochohmigen Zustand, das heißt, der Transistor ist nichtleitend, er sperrt.

Mit diesen beiden Zuständen kann im einfachsten Fall die Information eines [[Bit]]s permanent gespeichert werden. Je nach Speichertechnologie umfasst der Transistor ein (bei der [[SLC-Speicherzelle]]) oder mehrere Floating-Gates (bei der [[MLC-Speicherzelle]]). Bei MLC-Speicherzellen können in einem Transistor durch Abstufungen der Ladungsmengen mehr als ein Bit an Information gespeichert werden, was die Speicherdichte steigert. Übliche Werte sind zwei Bit pro Floating-Gate-Transistor mit vier verschiedenen Ladungsniveaus.

{| class="wikitable"
|+ Zustandstabelle eines Floating-Gate-Transistors<ref>{{Literatur|Autor=A. Kolodny, S. T. K, Nieh, B. Eitan, J. Shappir|Titel=Analysis and modeling of floating-gate EEPROM cells|Sammelwerk=IEEE Transactions on Electron Devices|Band=33|Nummer=6|Jahr=1986|Seiten=835–844|DOI=10.1109/T-ED.1986.22576}}</ref>
|-
! Vorgang !! Gate-Spannung !! Source-Spannung !! FG-Ladung !! Schwell-Spannung !! Transistor !! Drain-Spannung !! logischer Pegel
|-
| Lesen || >''V''th (Bsp.: 3,3 V) || GND || ungeladen || normal || leitet || > GND || 0
|-
| Lesen || >''V''th (Bsp.: 3,3 V) || GND || negativ geladen || erhöht || sperrt || > GND || 1
|-
| Schreiben || > 10 V || GND || ladend || steigt || || > 10 V || auf 1
|-
| Löschen || GND || GND || entladend || fällt || || > 10 V || auf 0
|-
| ruhend || floating || egal || unverändert || unverändert || sperrt || egal || unverändert
|}

== Anwendungen ==
Der primäre Anwendungsbereich dieser Transistoren liegt im Bereich digitaler, nicht flüchtiger Speicher wie beispielsweise [[USB-Massenspeicher]]n oder [[SD Memory Card|SD-Speicherkarten]]. Bei einer Speicherkapazität von 4 GB sind fast 35 Milliarden Floating-Gate-Transistoren notwendig. Bei hohen Speicherdichten werden die Floating-Gate-Transistorzellen durch Charge-Trap-Flashzellen ersetzt.

Im Jahr 1989 entwickelte die Firma [[Intel]] im Rahmen einer Forschungsarbeit eine nicht flüchtige Speicherzelle (''ETANN'') basierend auf FGMOS für die Speicherung von analogen Größen im Rahmen von [[Künstliches neuronales Netz|künstlichen neuronalen Netzen]].<ref>M. Holler, S. Tam, H. Castro, R. Benson: ''An electrically trainable artificial neural network with 10240 ‚floating gate‘ synapses.'' In: ''Proceeding of the International Joint Conference on Neural Networks, Washington, D.C.'' Volumen II, 1989, S. 191–196.</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Transistor]]

Floating-Gate-Transistor - Versionsgeschichte

93.240.145.106: "Verringerung" ist hier inkonsistent zur Zustandstabelle weiter unten. Der Transistor sperrt doch, wenn die Schwellspannung erhöht wird?!