【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于集成電路與微電子器件領域，具體為一種感存算一體的雙面柵晶體管單管及其使用方法。
技術介紹
1、在現代微電子和集成電路領域，盡管感存算一體化技術已經取得了顯著進展，但現有的實現方案通常面臨著多個挑戰。目前，大多數感存算系統依賴于至少兩個晶體管來分別處理感測和存算功能，這種分離的方法引入了以下問題：1.高復雜性和成本：多個器件的集成增加了電路的復雜性和制造成本；2.較低的響應速度和效率：信號在不同器件之間傳輸，導致延遲增加，影響系統性能；3.占用更多的芯片面積：多器件設計占用了更多的芯片空間，不利于器件的小型化。
2、傳統cmos圖像傳感器采用前照式（front-illuminated）結構，光信號需要穿透電路層才能到達光敏元件；由于電路層對光的遮擋和吸收，限制了光的接收效率和圖像的質量。此外，現有技術中，光電二極管用于感測光信號并轉換為電信號，但無法直接影響晶體管的溝道區電導，這限制了設備的靈活性和響應速度。
3、由于半導體器件中，不同功能需要實現電氣隔離，感存算往往涉及不同的電壓和電流特性，如果在同一晶體管中，難以避免互相干擾。
4、上述問題導致現有的感存算系統只能采用分別處理感測和存算功能的方法，與當前科技設備小型化、高靈敏度、高精度的需求相違背。
技術實現思路
1、針對上述問題，為解決現有感存算無法實現在單一器件集成的問題，本專利技術提供了一種感存算一體的雙面柵晶體管單管及其使用方法，將soi（silicon-on-insula
2、一種感存算一體的雙面柵晶體管單管，如圖1所示?，包括：襯底、埋氧層、頂部單晶硅層、浮柵、柵介質層和頂部控制柵。
3、所述襯底是提供物理和電氣支持的基礎，通常使用高純度的硅襯底。
4、所述埋氧層（box）位于襯底上方，為用作電氣隔離的絕緣層，有效隔離上面的頂部單晶硅層（活性層）和下面的硅襯底，減少底部干擾，增強器件性能。
5、所述頂部單晶硅層位于埋氧層上方，其中形成晶體管的溝道區，并在溝道區的兩側構建與溝道區相接的源/漏極，形成電流的進出路徑。溝道區吸收光子，產生光生電子-空穴對；溝道區的導電性由位于其上方的浮柵和控制柵的電荷狀態控制。
6、所述浮柵位于溝道區上，通過柵介質層將浮柵與溝道區隔離；浮柵用于捕獲并長時間保持電荷，這些電荷直接影響溝道區的電導性，實現存儲功能。
7、所述頂部控制柵位于浮柵之上，通過另一層介電材料控制柵介質層將頂部控制柵與浮柵隔離；頂部控制柵用于調節浮柵中的電荷狀態，從而調控晶體管的開關狀態。
8、上述感存算一體的雙面柵晶體管單管，實現感存算的具體方式為：
9、1).浮柵電荷調制：
10、編程（寫入）階段：通過在頂部控制柵和源/漏極之間施加高電壓，使電子通過隧穿效應或熱電子注入機制進入浮柵，增加浮柵中的負電荷，從而提高晶體管的閾值電壓。
11、擦除階段：在頂部控制柵和源/漏極之間施加反向高電壓，使浮柵中的電子回到溝道區或源/漏極，減少浮柵中的負電荷。
12、電荷狀態的精細控制：通過調整施加電壓的幅度和持續時間，以精確控制浮柵中的電荷量，從而實現對閾值電壓的細致調節。
13、2).閾值電壓的調整：
14、浮柵中的電荷改變了晶體管的閾值電壓，關系如下：
15、
16、其中是閾值電壓，是初始閾值電壓，是浮柵與溝道區之間的電容。通過改變，以動態調整閾值電壓，使晶體管在不同的輸入信號下表現出不同的開關特性。
17、3).溝道區導電性的控制：
18、輸入信號施加：將待處理的信號施加到頂部控制柵上，以控制溝道區的電導。
19、浮柵電荷的影響：浮柵中的電荷狀態決定了晶體管的閾值電壓，從而影響了輸入信號對溝道區的控制能力。
20、導電性調制：根據浮柵電荷和輸入信號的共同作用，溝道區的導電性發生變化，實現對輸入信號的放大或抑制。
21、4).計算功能的實現：
22、模擬計算：利用晶體管的i-v特性，在亞閾值區間，ids與vgs呈指數關系，通過對頂部控制柵電壓和浮柵電荷的調制，執行乘法和/或指數等模擬計算；其中，vgs為柵源電壓，ids為漏極電流。
23、數字邏輯運算：通過設定浮柵電荷狀態，使晶體管在特定的輸入電壓下導通或關斷，實現邏輯門功能。
24、進一步的，如應用在神經網絡中，浮柵電荷可代表權重值，頂部控制柵輸入信號代表神經元輸入，輸出電流則是加權求和的結果，經過激活函數處理，得到神經元的輸出，實現神經網絡計算。
25、5).數據處理與信號輸出：
26、源/漏極電流檢測：通過測量源/漏極之間的電流，獲取計算結果。
27、信號讀取：輸出的電流信號直接用于下一步處理，或經過轉換后得到所需的輸出形式。
28、進一步的，所述襯底與埋氧層之間還設有一層底部控制柵，底部控制柵提供了一個額外的控制維度，通過從雙面柵晶體管單管背面施加控制電壓，獨立調節溝道區的電勢分布，以調整溝道區電導率，從而進行復雜的數據處理和計算，增強器件的功能多樣性和電氣特性的可調性；雙面柵晶體管單管背面是指其襯底一側。
29、進一步的，所述底部控制柵還可以與頂部控制柵協同工作，實現復雜的電氣操作，如調節器件的閾值電壓，提高靈敏度和信號處理能力。頂部控制柵和底部控制柵共同調節溝道區電場，兩個控制柵從晶體管的兩側影響溝道區的電子分布和電勢。
30、其中，頂部控制柵負責快速響應并直接控制溝道區的上部電場，從而影響晶體管的基本開關操作；而底部控制柵則細調溝道區底部的電場，這有助于補充頂部控制的效果，尤其在閾值電壓的精細調節和對短溝道效應的控制上顯得尤為重要。
31、本專利技術提出使用背照式（back-illuminated）結構，在此結構中，光信號直接從器件背面（襯底一側）入射到溝道區，這種設計避免了光路中的電路遮擋，增強了光信號的直接利用效率。光子在器件頂部單晶硅層的背部溝道區被吸收，產生大量光生電子-空穴對。由于頂部單晶硅層的高吸收系數，特別是在短波長范圍內，這些光生載流子在溝道區高效生成，并迅速分布。通過調整背照式結構的參數，如光強度和硅層的厚度，可以精確控制溝道區的載流子濃度和電導，實現對光信號的高靈敏度響應。這種響應不僅適用于圖像捕捉，也為基于光信號的復雜數據處理提供了新的可能性。
32、本專利技術的創新之處在于將soi和浮柵晶體管技術結合應用于感存算一體化技術，特別是將其應用于感測領域；通過利用soi結構中頂部單晶硅層的獨特屬性，本專利技術能夠有效地實現光信號的直接感測與轉換，進而集成存儲和計算功能。
33、由于soi結構的特點，頂部單晶硅層能夠在不受底層硅襯底電氣干擾的情況下，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種感存算一體的雙面柵晶體管單管，其特征在于：包括襯底、埋氧層、頂部單晶硅層、浮柵、柵介質層和頂部控制柵；
2.如權利要求1所述感存算一體的雙面柵晶體管單管，其特征在于：所述襯底與埋氧層之間還設有一層底部控制柵，通過從雙面柵晶體管單管背面施加控制電壓，獨立調節溝道區的電勢分布，以調整溝道區電導率，從而進行復雜的數據處理和計算；雙面柵晶體管單管背面是指其襯底一側。
3.如權利要求2所述感存算一體的雙面柵晶體管單管，其特征在于：所述底部控制柵與頂部控制柵協同工作，共同調節溝道區電場：頂部控制柵負責快速響應并直接控制溝道區的上部電場，從而影響晶體管的基本開關操作；而底部控制柵則細調溝道區底部的電場，實現閾值電壓的精細調節和對短溝道效應的控制，補充頂部控制柵的調控效果。
4.如權利要求1所述感存算一體的雙面柵晶體管單管的使用方法，其特征在于：將感存算一體的雙面柵晶體管單管作為單元，在同一芯片上集成多個單元，形成陣列結構；通過對各單元的浮柵電荷和控制柵電壓進行獨立調控，使各單元能夠處理不同的信息，實現并行數據處理和向量計算。
5.如權利要
6.如權利要求5所述感存算一體的雙面柵晶體管單管的使用方法，其特征在于，實現一個全連接神經網絡層：
7.如權利要求2所述感存算一體的雙面柵晶體管單管的使用方法，其特征在于，應用于音頻信號處理：將感存算一體的雙面柵晶體管單管作為單元；
8.如權利要求2所述感存算一體的雙面柵晶體管單管的使用方法，其特征在于，應用于音頻信號處理：將感存算一體的雙面柵晶體管單管作為單元；
9.如權利要求8所述感存算一體的雙面柵晶體管單管的使用方法，其特征在于，應用于音頻信號處理：利用機器學習技術實現模式識別，單元陣列被訓練來識別特定的音頻模式或簽名，識別異常聲音并發出警報。
...【技術特征摘要】
1.一種感存算一體的雙面柵晶體管單管，其特征在于：包括襯底、埋氧層、頂部單晶硅層、浮柵、柵介質層和頂部控制柵；
2.如權利要求1所述感存算一體的雙面柵晶體管單管，其特征在于：所述襯底與埋氧層之間還設有一層底部控制柵，通過從雙面柵晶體管單管背面施加控制電壓，獨立調節溝道區的電勢分布，以調整溝道區電導率，從而進行復雜的數據處理和計算；雙面柵晶體管單管背面是指其襯底一側。
3.如權利要求2所述感存算一體的雙面柵晶體管單管，其特征在于：所述底部控制柵與頂部控制柵協同工作，共同調節溝道區電場：頂部控制柵負責快速響應并直接控制溝道區的上部電場，從而影響晶體管的基本開關操作；而底部控制柵則細調溝道區底部的電場，實現閾值電壓的精細調節和對短溝道效應的控制，補充頂部控制柵的調控效果。
4.如權利要求1所述感存算一體的雙面柵晶體管單管的使用方法，其特征在于：將感存算一體的雙面柵晶體管單管作為單元，在同一芯片上集成多個單元，形成陣列結構；通過對各單元的浮柵電荷和控制柵電壓進行獨立調控，使各單元能夠處理不同的信息，...
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