Compact DC Modeling of Tunnel-FETs

Abstract

En l'última dècada, el transistor d'efecte de camp amb efecte túnel (TFET) ha guanyat molt interès i es maneja com un possible successor de la tecnologia MOSFET convencional. El transport de càrrega en un TFET es basa en el mecanisme de túnel de banda a banda (B2B) i, per tant, el pendent sub-llindar a temperatura ambient pot superar el límit de 60 mV / dec.

Per descriure i analitzar el comportament del TFET en les simulacions de circuits, aquesta dissertació introdueix un model compacte de CC per TFET de doble comporta. L'enfocament de modelatge considera l'efecte túnel B2B amb l'efecte parasitari del corrent túnel assistida per trampes (TAT) en l'estat ON i ambipolar del TFET. Inclou un paquet d'equacions compactes per al potencial 2D per descriure el diagrama de banda del TFET. Basat en el diagrama de banda, el B2B i el corrent TAT es deriven per separat. Per fer-ho, primer es troba una expressió compacta per la llargada túnel, que després s'utilitza juntament amb un enfocament numèric robust de tipus Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) per calcular la probabilitat túnel. Després, usant l'equació de túnel de Landauer, la taxa de generació túnel es calcula i s'aproxima per arribar a una expressió de forma tancada per a la densitat de corrent. Amb una aproximació addicional de la densitat de corrent utilitzant una funció matemàtica, s'aconsegueixen expressions compactes per al túnel B2B resultant i el corrent TAT.

La verificació del model es realitza amb l'ajuda de les dades de simulació TCAD Sentaurus per diverses configuracions de simulació. A més, la validesa del model es demostra mitjançant mesuraments de TFET complementaris fabricats. Per demostrar l'estabilitat numèrica i la continuïtat, així com la flexibilitat, es realitzen i analitzen simulacions de circuits lògics basats en TFET com un inversor d'una sola etapa o una cel·la SRAM. La combinació del model CC amb un model TFET AC permet una simulació transitòria d'un oscil·lador en anell de 11 etapes.

En la última década, el transistor de efecto de campo con efecto túnel (TFET) ha ganado mucho interés y se maneja como un posible sucesor de la tecnología MOSFET convencional. El transporte de carga en un TFET se basa en el mecanismo de túnel de banda a banda (B2B) y, por lo tanto, la pendiente sub-umbral a temperatura ambiente puede superar el límite de 60 mV / dec.

Para describir y analizar el comportamiento del TFET en las simulaciones de circuitos, esta disertación introduce un modelo compacto de CC para TFET de doble compuerta. El enfoque de modelado considera el efecto túnel B2B con el efecto parasitario de la corriente túnel asistida por trampas (TAT) en el estado ON y AMBIPOLAR del TFET. Incluye un paquete de ecuaciones compactas del potencial 2D para describir el diagrama de banda del TFET. Basado en el diagrama de banda, el B2B y la corriente TAT se derivan por separado. Para hacerlo, primero se encuentra una expresión compacta para la longitud túnel, que luego se utiliza junto con un enfoque numérico robusto de tipo Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) para calcular la probabilidad túnel. Luego, usando la ecuación de túnel de Landauer, la tasa de generación túnel se calcula y aproxima para llegar a una expresión de forma cerrada para la densidad de corriente. Con una aproximación adicional de la densidad de corriente por una función matemática, se logran expresiones compactas para el túnel B2B resultante y la corriente TAT.

La verificación del modelo se realiza con la ayuda de los datos de simulación TCAD Sentaurus para varias configuraciones de simulación. Además, la validez del modelo se demuestra mediante mediciones de TFET complementarios fabricados. Para demostrar la estabilidad numérica y la continuidad, así como la flexibilidad, se realizan y analizan simulaciones de circuitos lógicos basados en TFET como un inversor de una sola etapa o una celda SRAM. La combinación del modelo CC con un modelo TFET AC permite una simulación transitoria de un oscilador en anillo de 11 etapas.

In the last decade, the tunnel field-effect transistor (TFET) has gained a lot of interest and is handled as a possible successor of the conventional MOSFET technology. The current transport of a TFET is based on the band-to-band (B2B) tunneling mechanism and therefore, the subthreshold slope at room temperature can overcome the limit of 60 mV/dec.

In order to describe and analyze the TFET behavior in circuit simulations, this dissertation introduces a compact DC model for double-gate TFETs. The modeling approach considers the B2B tunneling and the parasitic effect of trap-assisted tunneling (TAT) in the ON- and AMBIPOLAR-state of the TFET. It includes a 2D compact potential equation package to de-scribe the band diagram of the TFET. Based on the band diagram, the B2B tunneling and TAT current part are derived separately. In order to do so, firstly a compact expression for the tunneling length is found, which is then used together with a numerical robust Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approach to calculate the tunneling probability. Afterwards, using Landauer’s tunneling equation, the tunneling generation rate is calculated and approximated to come to a closed-form expression for the current density. Further approximation of the current density by a mathematical function, compact expressions for the resulting B2B tun-neling and TAT current are achieved. The verification of the model is done with the help of TCAD Sentaurus simulation data for various simulation setups. Furthermore, the validity of the model is proven by measurements of fabricated complementary TFETs. In order to demonstrate the numerical stability and continuity as well as the flexibility, simulations of TFET-based logic circuits like a single-stage inverter or an SRAM cell are performed and analyzed. The combination of the DC model with an TFET AC model allows for a transient simulation of an 11-stage ring oscillator.