title: Characterization and compact modeling of low frequency noise and ionizing radiation effects in bulk silicon MOSFETs
title: Χαρακτηρισμός και συμπαγής μοντελοποίηση θορύβου χαμηλής συχνότητας και φαινομένων ιοντίζουσας ακτινοβολίας σε MOSFET με βάση το πυρίτιο
Creators: name: Χεβας Λουκας
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2021

description: Two challenging fields of semiconductor applications are the field of high-energy physics experiments, as a hostile operating environment for deep sub-micron MOSFETs and the field of high-precision, low-noise analog design with its requirements for detailed and accurate MOSFET noise models.
An analysis is presented on MOS devices irradiated to ultrahigh radiation doses, as part of the viability study conducted at CERN in cooperation with TUC for the upcoming LHC upgrade due in 2025-2027. Our part was to analyze, characterize and model the damage inflicted on a specific commercially available 65nm bulk CMOS technology, in order to allow designers at CERN to properly use it for the predicted ten year lifespan of the experiment. To this end, we have presented in this work selected operational parameters of interest to designers, which were extracted for both MOS polarities, multiple VTH device types, at three different temperatures, down to -30° C, at four different irradiation levels, up to 500Mrad. Multiple device geometries were studied and are presented.
Furthermore, measurements and analysis of the noise response of a commercially available 110nm bulk CMOS technology is demonstrated. The system and methodology for on-wafer noise measurements is presented along with our efforts in extracting and analyzing usable data from our measurements. The EKV3 parameter extraction approach using the two distinct incorporated noise models is also described. Our resulting measurements are presented for the three different MOS polarities provided for this task. Output as well as input referred noise spectra are presented, fitted with an analytical flicker noise model.
description: Δύο διαφορετικά πεδία εφαρμογών των ημιαγωγών, με τις ιδιαίτερα ξεχωριστές τους προκλήσεις, είναι το πεδίο πειραμάτων φυσικής υψηλών ενεργειών, ως ένα πολύ εχθρικό περιβάλλον λειτουργίας για τρανζίστορ MOSFET υπο-μικρομετρικών διαστάσεων και το πεδίο της αναλογικής σχεδίασης υψηλής ακριβείας και χαμηλού θορύβου με τις απαιτήσεις του για λεπτομερή και ακριβή μοντέλα θορύβου για τρανζίστορ MOSFET.
Παρουσιάζεται ανάλυση πάνω σε διατάξεις MOS που ακτινοβολήθηκαν σε υπερ-υψηλές δόσεις ακτινοβολίας, ως μέρος της μελέτης καταλληλότητας που διεξήχθη στο CERN σε συνεργασία με το Πολυτεχνείο της Κρήτης για την επερχόμενη αναβάθμιση του LHC κατά τα έτη 2025-2027. Δική μας εργασία ήταν το να αναλύσουμε, χαρακτηρίσουμε και μοντελοποιήσουμε τη ζημία που επέρχεται σε μια συγκεκριμένη εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία 65nm bulk CMOS, ώστε να επιτραπεί στους σχεδιαστές στο CERN να την αξιοποιήσουν κατάλληλα για όλη τη δεκαετή προβλεπόμενη διάρκεια του πειράματος. Προς το σκοπό αυτό παρουσιάσαμε σε αυτή την εργασία συγκεκριμένες λειτουργικές παραμέτρους που ενδιαφέρουν τους σχεδιαστές, οι οποίες εξήχθησαν για τις δύο πολικότητες MOS, τους τύπους διατάξεων διαφορετικής τάσης κατωφλίου, σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες, έως και -30°C, σε τέσσερα διαφορετικά επίπεδα δόσης, έως και 500Mrad. Πολλές διαφορετικές γεωμετρίες μελετήθηκαν και παρουσιάζονται.
Επιπρόσθετα, επιδεικνύεται η μέτρηση και ανάλυση της απόκρισης θορύβου μιας εμπορικά διαθέσιμης τεχνολογίας 110nm bulk CMOS. Παρουσιάζεται το σύστημα και η μεθοδολογία για την διεξαγωγή μετρήσεων θορύβου πάνω σε δισκία πυριτίου, μαζί με τη διαδικασία που ακολουθήσαμε για να εξαγάγουμε αξιοποιήσιμα δεδομένα από τις μετρήσεις μας καθώς και να τα αναλύσουμε. Περιγράφεται επίσης η προσέγγιση του ζητήματος εξαγωγής παραμέτρων μοντέλου EKV3, με τα δύο διαφορετικά ενσωματωμένα μοντέλα θορύβου. Οι μετρήσεις θορύβου παρουσιάζονται για τις τρεις πολικότητες που είχαμε διαθέσιμες για αυτόν το σκοπό. Παρουσιάζονται φάσματα θορύβου αναφερόμενου στην έξοδο καθώς και στην είσοδο, στα οποία έχει εφαρμοστεί ένα αναλυτικό μοντέλο θορύβου χαμηλής συχνότητας.