ANALYTICAL COMPACT MODELING OF NANOSCALE MULTIPLE-GATE MOSFETS.

Abstract

L’objectiu principal d’aquest treball és el desenvolupament d’un model compacte per a MOSFETs de múltiple porta d’escala nanomètrica, que sigui analític, basat en la física del dispositiu, i predictiu per a simulacions AC i DC. Els dispositius investigats són el MOSFET estàndar en mode d’inversió, a més d’un nou dispositiu anomenat “junctionless MOSFET” (MOSFET sense unions). El model es va desenvolupar en una formulació compacta amb l’ajuda de l’equació de Poisson i la tècnica de la transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Es varen obtenir les equacions del voltatge llindar i el pendent subllindar. Usant la funció W de Lambert, a més d’una funció de suavització per a la transcició entre les regions de depleció i acumulació, s’obté un model unificat de la densitat de càrrega, vàlid per a tots els modes d’operació del transistor. S’estudien també les dependències entre els paràmetres físics del dispositiu i el seu impacte en el seu rendiment. Es tenen en compteefectes importants de canal curt i de quantització. Es discuteixen també la simetria al voltant de Vds= 0 V, i la continuïtat del corrent de drenador en les derivades d’ordre superior. El model va ser validat mitjançant simulacions TCAD numèriques i mesures experimentals.

El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un modelo compacto para MOSFETs de múltiple puerta de escala nanométrica, que sea analítico, basado en la física del dispositivo, y predictivo para simulaciones AC y DC. Los dispositivos investigados son el MOSFET estándar en modo inversión, además de un nuevo dispositivo llamado “junctionless MOSFET” (MOSFET sin uniones). El modelo se desarrolló en una formulación compacta con la ayuda de la ecuación de Poisson y la técnica de transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Se obtuvieron las ecuaciones del voltaje umbral y la pendiente subumbral. Usando la función W de Lambert, además de una función de suavización para la transición entre las regiones de depleción y acumulación, se obtiene un modelo unificado de la densidad de carga, válido para todos los modos de operación del transistor. Se estudian también las dependencias entre los parámetros físicos del dispositivo y su impacto en su rendimiento. Se tienen en cuenta efectos importantes de canal corto y de cuantización. Se discuten también la simetría alrededor de Vds= 0 V, y la continuidad de la corriente de drenador en las derivadas de orden superior. El modelo fue validado mediante simulaciones TCAD numéricas y medidas experimentales.

The main focus is on the development of an analytical, physics-based and predictive DC and AC compact model for nanoscale multiple-gate MOSFETs. The investigated devices are the standard inversion mode MOSFET and a new device concept called junctionless MOSFET. The model is derived in closed-from with the help of Poisson's equation and the conformal mapping technique by Schwarz-Christoffel. Equations for the calculation of the threshold voltage and subthreshold slope are derived. Using Lambert's W-function and a smoothing function for the transition between the depletion and accumulation region, an unified charge density model valid for all operating regimes is developed. Dependencies between the physical device parameters and their impact on the device performance are worked out. Important short-channel and quantization effects are taken into account. Symmetry around Vds = 0 V and continuity of the drain current at derivatives of higher order are discussed. The model is validated versus numerical TCAD simulations and measurement data.