Nano-scale multi-gate MOSFETs
Authors: Φασαράκης Νικόλαος 
Published: August 2021

Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη συμπαγών μοντέλων για το ρεύμα απαγωγού και τις δια-χωρητικότητες των νανο-τρανζίστορ MOSFET πολλαπλών-πυλών, που να ισχύουν σε όλες τις περιοχές λειτουργίας. Τα μοντέλα αυτά θα πρέπει να είναι κατάλληλα για προσαρμογή στα σύγχρονα περιβάλλοντα προσομοίωσης, επιτρέποντας το σχεδιασμό CMOS κυκλωμάτων νανο-κλίμακας υψηλής απόδοσης. Αρχικά, αναπτύσσονται αναλυτικά μοντέλα για την τάση κατωφλίου, την κλίση υπο-κατωφλίου και το φαινόμενο DIBL σε διατάξεις συμμετρικού MOSFET διπλής-πύλης (DG) και χαμηλής συγκέντρωσης προσμίξεων. Στη συνέχεια, αυτές οι παράμετροι χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη ενός συμπαγούς και αναλυτικού μοντέλου για το ρεύμα απαγωγού το οποίο περιλαμβάνει τα φαινόμενα μικρού καναλιού, το φαινόμενο της διαμόρφωσης του μήκους του καναλιού, την υποβάθμιση της ευκινησίας λόγω σκέδασης των ηλεκτρονίων, το φαινόμενο της ταχύτητας κόρου και την αντίσταση σειράς. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία με αυτή που ακολουθήθηκε στα DG FinFETs, αναπτύσσεται ένα αναλυτικό και συμπαγές μοντέλο για το ρεύμα απαγωγού σε διατάξεις FinFET τριπλής-πύλης (TG) με ορθογώνια διατομή. Βασιζόμενοι στις ενοποιημένες εκφράσεις του ρεύματος απαγωγού και της πυκνότητας του φορτίου αναστροφής, προτείνεται ένα συμπαγές μοντέλο χωρητικοτήτων που περιγράφει τις χαρακτηριστικές χωρητικότητας-τάσης σε όλες τις περιοχές λειτουργίας. Με σκοπό την εξαγωγή των ηλεκτρικών παραμέτρων στα νανο-τρανζίστορ FinFET διπλής- και τριπλής-πύλης, προτείνεται μια νέα μεθοδολογία βασισμένη στην συνάρτηση-Y. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση του ρεύματος απαγωγού στην γραμμική περιοχή, η μη γραμμική συνάρτηση-Y μετατρέπεται σε γραμμική, αντίστοιχη αυτής των κλασικών MOSFET μεγάλου καναλιού. Με την νέα συνάρτηση-Y, η εξαγωγή των ηλεκτρικών παραμέτρων είναι εύκολη και ακολουθεί τον παραδοσιακό τρόπο μιας και όλες οι σχετικές καμπύλες είναι πλέον γραμμικές. Η ακρίβεια και η απλότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναδεικνύεται τόσο από αποτελέσματα προσομοίωσης όσο και από πειραματικά αποτελέσματα νανο-διατάξεων FinFET. Στη συνέχεια, το συμπαγές μοντέλο ρεύματος απαγωγού, χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη ενός αναλυτικού μοντέλου για την περιγραφή του ρεύματος πύλης σε διατάξεις TG FinFET, καθώς επίσης, εφαρμόζεται για την αξιολόγηση της κατασκευαστικής μεταβλητότητας και την πρόβλεψη του 1/f θορύβου των δομών αυτών. Το μοντέλο της μεταβλητότητας επιτρέπει τον διαχωρισμό των διαφόρων πηγών μεταβλητότητας ενώ το μοντέλο του 1/f θορύβου αποτυπώνει τις διακυμάνσεις του αριθμού των φορέων με συσχετισμένες διακυμάνσεις της ευκινησίας και περιγράφει με ακρίβεια την εξάρτηση του θορύβου τόσο από τη γεωμετρία της διάταξης όσο και από τις πολώσεις πύλης και απαγωγού. Τα μοντέλα της μεταβλητότητας και θορύβου μπορεί να χρησιμοποιηθούν για εργαλεία προσομοίωσης κυκλωμάτων, καθώς και ως οδηγός για αναλογικούς σχεδιαστές. Το αναλυτικό μοντέλο ρεύματος απαγωγού απλοποιείται, καθιστώντας το κατάλληλο για προσομοίωση ψηφιακών κυκλωμάτων. Προτείνεται ένα ακριβές υπερ-συμπαγές μοντέλο για περιγραφή των FinFET νανο-κλίμακας, στο οποίο χρειάζονται μόνο πέντε φυσικές παράμετροι προσαρμογής και το οποίο είναι 22 ταχύτερο σε χρόνο CPU, σε σύγκριση με το αναλυτικό. Τέλος, τα συμπαγή μοντέλα των DG MOSFET επεκτείνονται στα MOSFET κυλινδρικής-πύλης χρησιμοποιώντας ισοδύναμες γεωμετρικές παραμέτρους. Τα μοντέλα που αναπτύσσονται περιγράφονται από αναλυτικές εξισώσεις που ισχύουν σε όλες τις περιοχές λειτουργίας. Επίσης, τα αναλυτικά μοντέλα για τα TG FinFET ορθογώνιας διατομής επεκτείνονται στα TG FinFET με τραπεζοειδή και τριγωνική διατομή χρησιμοποιώντας ισοδύναμες γεωμετρικές παραμέτρους και λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της γωνίας των πλευρικών πυλών σε σχέση με την πάνω πύλη.