Operação e modelagem de transistores MOS sem junções.

Autor: Renan Trevisoli Doria
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2013
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPUniversidade de São PauloUSP.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Neste trabalho é apresentado um estudo dos transistores MOS sem junções (Junctionless Nanowire Transistors - JNTs), cujo foco é a modelagem de suas características elétricas e a análise do funcionamento dos mesmos quanto à tensão de limiar, ponto invariante com a temperatura e operação analógica. Os JNTs possuem uma concentração de dopantes constante da fonte ao dreno sem apresentar gradientes. Eles foram desenvolvidos a fim de se evitar as implantações iônicas de fonte e dreno, que requerem condições rigorosamente controladas para se evitar a difusão de dopantes para o interior do canal em dispositivos de tamanho extremamente reduzido (sub-20 nm). Dessa forma, esses dispositivos permitem um maior escalamento, com um processo de fabricação simplificado. Os trabalhos recentes de modelagem desses transistores consideram dispositivos de canal longo, de forma geral o comprimento utilizado é de 1 µm, de porta dupla ou cilíndricos. Pouco tem sido feito relacionado à modelagem de JNTs porta tripla e a influência da temperatura no funcionamento dos mesmos. Assim, este trabalho tem como objetivo a modelagem do funcionamento dos dispositivos MOS sem junções de porta tripla quanto à tensão de limiar, potencial de superfície, carga de condução e corrente de dreno. Os modelos são derivados da solução da equação de Poisson com as condições de contorno adequadas, apresentando grande concordância com simulações numéricas tridimensionais e com resultados experimentais para dispositivos com comprimento de canal de até 30 nm. No caso do modelo da tensão de limiar, o maior erro obtido entre modelo e simulação foi de 33 mV, que representa uma percentagem menor que 5 %. Também foi apresentado um método de extração da tensão de limiar baseado na igualdade das componentes de deriva e difusão da corrente de dreno. Este método foi igualmente validado com resultados simulados, apresentando um erro máximo de 3 mV (menor que 0,5 %) e aplicado à dispositivos experimentais. A influência da temperatura na tensão de limiar também foi analisada tanto pelo modelo proposto como por simulações e resultados experimentais, mostrando que a dependência da concentração de dopantes ionizados com a temperatura devido à ionização incompleta dos portadores tem grande influência na tensão de limiar. No caso da modelagem da corrente de dreno e do potencial de superfície, foi acrescentada uma correção de efeitos de canal curto. O erro médio foi menor que 12 % para as curvas de corrente e suas derivadas quando comparadas à dos dispositivos experimentais de comprimento de canal de 30 nm. Também foi realizado um estudo do funcionamento dos JNTs, mostrando que o ponto invariante com a temperatura, onde a corrente de dreno se mantém constante independente da temperatura, pode ou não existir nesses dispositivos dependendo da resistência série e de sua dependência com a temperatura. Por fim, a operação analógica dos dispositivos sem junções é analisada para dispositivos de diferentes dimensões.
In this work, a study of the Junctionless Nanowire Transistors (JNTs) is presented, focusing their modeling and analyzing their operation. The JNTs are heavily doped devices with a doping concentration constant from source to drain, without presenting doping gradients. They have been developed in order to avoid drain and source ion implantation, which requires rigorous controlled conditions to avoid dopants diffusion into the channel in extremely reduced devices (sub-20 nm). Therefore, these devices provide a higher scalability with a simplified fabrication process. Recent works on junctionless nanowire transistors modeling have considered long-channel (a length of 1 µm is commonly used) double-gate or cylindrical devices. Few works have presented the modeling of triple-gate JNTs and the temperature influence on the device operation. The goal of this work is the modeling of the threshold voltage, surface potential, conduction charge and drain current in triple-gate junctionless nanowire transistors. The models are derived from the solution of the Poisson equation with the appropriate boundary conditions and exhibit a great concordance with three-dimensional numerical simulations and experimental data even for devices with channel length of 30 nm. In the case of the threshold voltage, the higher error obtained between model and simulation was 33 mV, which represents an error lower than 5 %. A method for the threshold voltage extraction based on the equality of the drift and diffusion components of the drain current has also been presented. This method was also validated using simulated results, with a maximum error of 3 mV (lower than 0.5 %), and applied to experimental devices. The influence of the temperature on the threshold voltage has also been analyzed through the proposed model, the numerical simulations and the experimental data. It has been shown that the dependence of the ionized dopant concentration with the temperature due to the incomplete carrier ionization has a great influence on the threshold voltage. In the case of the surface potential and drain current modeling, a correction for the short channel effects has been proposed. The mean error has been lower than 12 % for the drain current curves and their derivatives when compared to the ones of experimental devices with a channel length of 30 nm. An analysis on the operation of the JNTs has been also performed, showing that the zero temperature coefficient point, in which the current is the same independent of the temperature, can or not exist depending on the series resistance and its dependence on the temperature. Finally, the operation of junctionless nanowire transistors in analog applications has been analyzed for devices of different dimensions.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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