Triple–Gate Junctionless MOSFETs: Compact Models for Application in Circuit Simulators
Creators: name: Οπρογλίδης, Θεόδωρος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: subject: Multi-gate MOSFETs
subject: Nanotechnology
subject: FOS: Nanotechnology
subject: Analytical models
subject: Junctionless transistors
subject: Τρανζίστορ πολλαπλής πύλης
subject: Νανοτεχνολογία
subject: Αναλυτικά μοντέλα
subject: Τρανζίστορ χωρίς ανορθωτικές επαφές

description: The subject of this thesis is focused on the development of compact models of triple-gate junctionless transistors (TG JLTs) as well as their implementation in circuit simulators. Leakage current is an undesirable feat for any semiconductor and as such the leakage conduction of TG JLTs is investigated for both n- and p- channel devices. Then, an analytical compact model for the drain current valid on the depletion region of TG JLTs is developed including various short channel effects and verified against experimental data of devices down to 25nm. This compact drain current model serves as a core where multiple phenomena can be inserted. Firstly, the quasi-ballistic transport of electrons is studied. The alteration between drift-diffusion and quasi-ballistic transport is accomplished with the formulation of the low-field mobility derived from experimental data. By incorporating the new mobility expression in the compact model, the ballistic motion is taken into account. Then, the impact of temperature is introduced in the compact model. The transistor parameters are extracted from experimental data and are expressed as functions of the absolute temperature. Then, they are inserted in the compact model that is validated with experimental data. The continuity and symmetry of the compact model are accomplished by formulating key equations of the initial model. The new expressions are functions of the normalized charges that contain the continuous and symmetric Lambert Function. Several benchmark tests are performed to prove the model’s effectiveness. Based on the upgraded compact model, the symmetric and continuous trans-capacitances model is being developed and validated against TCAD data for long and short channel devices. Additionally, the models are written in Verilog-A programming language and are ready for their implementation in circuit simulators. Furthermore, the low-frequency noise (LFN) of TG JLTs is researched in the frequency and time domains for devices with different channel lengths. The physical mechanisms that govern the origin of LFN as well as the location of individual traps, are both identified. The flat-band voltage fluctuation is correlated with the noise caused by the traps and therefore can be incorporated in the drain current compact model. The impact of hot carrier aging on the performance of TG JLTs is studied by analyzing the evolution of both macroscopic and microscopic device parameters with stress time. The results vary depending on the channel length of the devices and show that different mechanisms cause degradation of the device input characteristics. Finally, the local and global variability of TG JLTs are extensively researched. For both cases, the parameters of the devices are extracted by analyzing the Id-Vg characteristics using the continuous and symmetric compact model. By implementing the Monte-Carlo simulation method on the compact model, the on-current variability is decomposed and the impact of every device parameter on the total drain current deviation is calculated. Furthermore, for the local variability, the actual variability sources which are introduced during the fabrication process of the device are identified through a technique that combines the drain current compact model with Monte-Carlo simulations.
description: Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη συμπαγών μοντέλων για τα τρανζίστορ τριπλής πύλης χωρίς ανορθωτικές επαφές (Triple – Gate Junctionless Transistors – TG JLTs) και την εφαρμογή τους σε προσομοιωτές κυκλωμάτων. Tο ρεύμα διαρροής είναι ένα μη επιθυμητό χαρακτηριστικό για κάθε ημιαγωγό και έτσι μελετάται στην περίπτωση των TG JLTs για διατάξεις n και p τύπου. Έπειτα, αναπτύσσεται το αναλυτικο συμπαγές μοντέλο ρεύματος απαγωγού το οποίο ισχύει στην περιοχή κένωσης των φορέων των TG JLTs. Το μοντέλο, στο οποίο εντάσσονται φαινόμενα μικρού καναλιού, επαληθεύεται για διατάξεις με μήκος καναλιού έως και 25nm. Το συμπαγές μοντέλο ρεύματος απαγωγού χρησιμεύει σαν πυρήνας όπου μπορούν να ενταχθούν πολλά επιπλέον φαινόμενο. Αρχικά, αναλύεται η βαλλιστική κίνηση των ηλεκτρονίων. Η μετάβαση από το φαινόμενο διάχυσης φορέων στη βαλλιστική μεταφορά τους επιτυγχάνεται με μία απλή αλλαγή της έκφρασης της ευκινησίας χαμηλού πεδίου. Εισάγοντας αυτή την έκφραση στο συμπαγές μοντέλο ρεύματος απαγωγού, η βαλλιστική κίνηση φορέων ενσωματώνεται σαν φαινόμενο. Επίσης, στο μοντέλο ρεύματος εισάγεται και η επίδραση της θερμοκρασίας στα TG JLTs. Οι παράμετροι του μοντέλου εξάγονται Αυτές οι παράμετροι εκφράζονται ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και εισάγονται στο μοντέλο ρεύματος απαγωγού. Τα αποτελέσματα επαληθεύονται με τη χρήση πειραματικών δεδομένων. Η συνέχεια και η συμμετρία του συμπαγούς μοντέλου ρεύματος επιτυγχάνεται διαμορφώνοντας κάποιες εξισώσεις του αρχικού μοντέλου. Οι νέες εκφράσεις είναι συνάρτηση των κανονικοποιημένων φορτίων που περιέχουν την συνεχή και συμμετρική συνάρτηση Lambert. Στο μοντέλο εφαρμόζονται κάποια τεστ αξιολόγησης για να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητά του. Στη συνέχεια, το συμμετρικό και συνεχές μοντέλο δια-χωρητικοτήτων αναπτύσσεται και επαληθεύεται με δεδομένα προσομοίωσης για διατάξεις με μεγάλο και μικρό κανάλι. Επιπλέον, τα μοντέλα γράφονται σε γλώσσα προγραμματισμού Verilog-A και έτσι είναι έτοιμα για την εφαρμογή τους σε προσομοιωτές κυκλωμάτων. Επίσης, διερευνάται ο θόρυβος χαμηλών συχνοτήτων των TG JLTs τόσο στο πεδίο των συχνοτήτων όσο και στο πεδίο του χρόνου για διατάξεις με διαφορετικά μήκη καναλιού. Αναγνωρίζονται οι φυσικοί μηχανισμοί που διέπουν την προέλευση του θορύβου καθώς και η θέση των διακριτών παγίδων φορέων. Η διακύμανση της τάσης παράλληλων ζωνών συσχετίζεται με τον θόρυβο λόγω των παγίδων και έτσι μπορούν να προβλεφθούν οι διακυμάνσεις του ρεύματος απαγωγού. Η επίδραση του φαινομένου της ηλεκτρικής καταπόνησης φορέων στην απόδοση των TG JLTs μελετάται αναλύοντας την εξέλιξη των μακροσκοπικών και μικροσκοπικών παραμέτρων των τρανζίστορ με τον χρόνο καταπόνησης. Τα αποτελέσματα ποικίλλουν ανάλογα με το μήκος του καναλιού των ημιαγωγικών διατάξεων και φαίνεται πως διαφορετικοί μηχανισμοί προκαλούν υποβάθμιση των χαρακτηριστικών εισόδου των TG JLTs. Τέλος, η τοπική και καθολική μεταβλητότητα των TG JLTs ερευνώνται εκτενώς. Και για τις δύο περιπτώσεις, οι παράμετροι των ημιαγωγικών διατάξεων εξάγονται αναλύοντας τις χαρακτηριστικές εισόδου μέσω του αναλυτικού συμπαγούς μοντέλου ρεύματος απαγωγού. Εφαρμόζοντας την μέθοδο προσομοίωσης Monte-Carlo στο μοντέλο ρεύματος, η μεταβλητότητα του ρεύματος απαγωγού αναλύεται και υπολογίζεται η επίδραση κάθε παραμέτρου στη συνολική απόκλιση του ρεύματος απαγωγού. Επιπλέον, για την περίπτωση της τοπικής μεταβλητότητας, προσδιορίζονται οι κατασκευαστικές πηγές της μεταβλητότητας μέσω μιας τεχνικής που συνδυάζει το συμπαγές μοντέλο ρεύματος απαγωγού με προσομοιώσεις Monte-Carlo.