A mosfet tranzisztorokat szimuláló eszközök fejlesztésének szövege

Santiago de Compostela Egyetem

szimulációjára

Elektronikai és Számítási Tanszék

ESZKÖZÖK FEJLESZTÉSE

A MOSFET TRANSISTOROK SZIMULÁCIÓJA

Bemutatja: Manuel Antonio Aldegunde Rodrguez

Rendezte: Antonio Jesus Garca Loureiro

Santiago de Compostela, 2009. március

Dr. Antonio Jesus Garca Loureiro, a Santiago de Compostela Egyetem Elektronikai Tanszékének docense

Azt, hogy a MOSFET tranzisztorok szimulálásához szükséges eszközök fejlesztése című jelentést Manuel Antonio AldegundeRodrguez végezte az irányításom alatt a Santiago de Compostela Egyetem Elektronika és Számítástechnika Tanszékén, és ez alkotja azt a tézist, amelyet az általa választás céljából bemutat a fizikai tudományok doktora fokozatra.

Santiago de Compostela, 2009. március

Aláírta: Antonio Jesus Garca Loureiro a dolgozat igazgatója

Aláírva: Javier Daz Bruguera, az Elektronikai és Számítási Tanszék igazgatója

Aláírva: Manuel Antonio Aldegunde Rodrguez a szakdolgozat szerzője

Először is szeretném kifejezni hálámat mindazoknak az embereknek, akik bár ezt a következő bekezdésekben nem nevezem meg kifejezetten, mégis segítettek ennek az emléknek a megalkotásában.

Rendezőm, Antonio Garca Loureiro külön köszönetet érdemel a tézis több mint négy évig tartó folyamatos segítségéért és támogatásáért. Erőfeszítése és elkötelezettsége nélkül a legnehezebb pillanatokban nem jutottam volna el ide.

Az Elektronika és Számítástudományi Tanszék minden tagjának, különösen a Számítógépes Építészeti Csoport tagjainak, hogy a munkám elvégzéséhez szükséges támogatást nyújtották számomra. A jelentés által nekem biztosított lehetőségek nélkül ez sem lett volna lehetséges. Kollégáimnak (és volt kollégáimnak), különösen Oscarnak, Javinak, Diego-nak, Dani-nak, Julio-nak, Juan Angel-nek, Fabi-nak, Marcos-nak, Cris-nek, Raul-nak és Enrique-nek, amiért olyan sok órát töltöttek a laboratóriumban. És Nataliának, az első naptól kapott segítségéért, türelméért, öröméért és barátságáért.

Köszönetet kell mondanom a Glasgowi Egyetem Készülékmodellező Csoportjának tagjainak a skóciai tartózkodásom alatt tanúsított kedvességükért és együttműködésükért. Közülük meg kell említeni Asen Asenov professzort, aki hozzájárult a doktori disszertáció kidolgozásához, és Karol Kalnát, állandó segítségéért, ötleteiért és magyarázataiért, különösen a Monte Carlo módszerrel végzett első lépéseim során.

Az EPCC-nek és különösen a CESGA-nak a számítógépes erőforrásaikhoz való hozzáférés lehetővé tétele és megkönnyítése érdekében. A TIN2004-07797-C02 és a TIN 2007-67537-C03 projektek finanszírozására, valamint az egyetemi tanárképzési program támogatására a Tudományos és Technológiai Minisztériumhoz, később az Oktatási és Tudományos Minisztériumhoz. Xunta de Galicia részére a DXIDI07TIC01CT és az INCITE08PXIB206094PR projekteken keresztül történő finanszírozáshoz.

Természetesen a családom folyamatos támogatásukért és segítségükért. És a barátaim, kérlek, hogy menjek el a munkától.

És még egyszer azoknak az embereknek, akiket nem neveztem meg, akik lehetővé tették számomra, hogy ideérjek.

A tudomány mindig keresés lesz, soha nem igazi felfedezés. Ez egy utazás, soha nem érkezés.

A talajok megijesztenek, magasságokra gondolsz - mondta Conina. És ne hülyéskedj, tudom, mire gondolok! A talajok ölnek meg!

Rechicero. Terry pratchett

1. MOSFET eszközök 9

1.1. A hagyományos MOSFET, méretezés és a technika jelenlegi állása. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.

1.2. A szokásos MOSFET-ek alternatívái. . . . . . . . . . . . . . . 121.2.1. Többportos MOSFET-ek. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.

1.2.2. Új anyagok. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3. Szimulációs technikák. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.

1.3.1. Drag-diffúzió. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.2. Hidrodinamikai modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.

1.3.3. Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3.4. Kvantumszállítás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . húsz

2. Tetraéderes háló létrehozása 23

2.1. Háló osztályozás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.

2.2. Hálótermelő módszerek. . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.1. Delaunay háromszögelések. . . . . . . . . . . . . . . 26.

2.2.2. Előrehaladó front módszer. . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.3. Az es rekurzív bomlásán alapuló módszerek-

2.3. Háló létrehozása egy oktree segítségével. . . . . . . . . . . . . . 362.3.1. Október építése. . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.3.2. A terminális oktánsok bomlása tetraéderekké 41

2.3.3. Példák: háló-generációs idők. . . . . 442.3.4. Példák: a háló minősége. . . . . . . . . . . . . . 48

2.4. Atomhálók létrehozása. . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.4.1. Sűrűség funkcionális elmélet. . . . . . . . . . . . 57

2.4.2. Kristály régiók. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.4.3. Interfész régiók. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.4.4. Amorf régiók. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.4.5. A háló minősége. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.5. A tetraéderes háló adaptív finomítása. . . . . . . . . 71.

3. A drag-diffúziós modell 75

3.1. A drag-diffúziós modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.1.1. Poisson-egyenlet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.1.2. Folytonossági egyenletek. . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.1.3. A hordozó koncentrációja. . . . . . . . . . . . . . . 79

3.1.4. Generációs-rekombinációs tényező. . . . . . . . . . . 85

3.2. Kvantumkorrekciók. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.2.1. A sűrűséggradiens modell. . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.2.2. A hatékony vezetési sáv él modell. . . . . . . . 90

3.2.3. Egyéb megközelítések. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.

3.3. A változók méretezése. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.4. A húzódiffúziós és a sűrűséggradiens egyenletek diszkretizálása. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.

3.4.1. Végeselemes módszer. . . . . . . . . . . . 95

3.4.2. Poisson-egyenlet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.4.3. Folytonossági egyenletek. . . . . . . . . . . . . . . . . 103.

3.4.4. Sűrűségi gradiens modellegyenletek. . . . . . . . . 107.

3.5. Egyenletrendszerek párhuzamos megoldása. . . . . . . . . . 110

3.5.1. A diszkretizált rendszer egyenletei. . . . . . . . . . . . 111.

3.5.2. Gummel módszer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.5.3. Newton-Raphson módszer. . . . . . . . . . . . . . . 114.

3.5.4. Lineáris rendszerek felbontása. . . . . . . . . . . . . . 115

3.6. A szilícium MOSFET eszközök ingadozásainak szimulációja 117

3.6.1. A poliszilícium szemcsésségének hatása. . . . . . . . 117.

3.6.2. A nagy permittivitású oxidok néhány nem idealitásának hatása. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.6.3. Az adalékanyagok véletlenszerű helyzetének hatása. . 123.

3.6.4. Az anyagok közötti átmeneti régiók hatása. 127.

3.6.5. Az IF III-V MOS-FET eszközök ingadozásainak szimulációja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4. A Monte Carlo szimulációs módszer 137

4.1. Boltzmann transzportegyenlet. . . . . . . . . . . . . . 138

4.2. A félvezetői transzport szimulációjára a Monte Carlo-módszert alkalmazták. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

4.2.1. A fuvarozók ingyenes repülése. . . . . . . . . . . . . . . 143

4.2.2. A hordozó szétszórása. . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.3. Monte Carlo szimulátorok párhuzamosítási technikák. . . . . 144

4.4. A szilícium transzportjának Monte Carlo szimulációi. . . . . . . 148

4.4.1. A sáv felépítése és analitikai megközelítése. . . . . 149

4.4.2. Fő diszperziós mechanizmusok. . . . . . . . . . 151

4.4.3. Eredmények . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

4.5. Eszközszimuláció: tetraéderes háló használata. . . . . 157

4.5.1. Kvantumkorrekciók. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4.5.2. Önerők: a terhelés hozzárendelése és az elektromos tér interpolációja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

4.5.3. Hordozók injektálása az ohmos érintkezőkön. . 165

4.5.4. A mozgásegyenletek integrálása. . . . . . 166

4.6. 10 nm-es kapu DG MOSFET szimulációja. . . . . . 170

A. Eszközök fejlesztése az MOS numerikus szimulációjához-

A.1. Módosított oktree háló-generáció a manhattani típusú szerkezetekhez 187

A.1.1. Szabványos oktán generáció. . . . . . . . . . . . . . . . 188

A.1.2. Módosított oktree generáció. . . . . . . . . . . . . . . . 188

A.1.3. Tetraéderes háló-generáló algoritmusok. . . . . . . . . 189

A.1.4. Háló minőség. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

A.2. Atomisztikus háló létrehozása nanoszkópú MOS-FET szimulációhoz . . . . .