Text de dezvoltare a instrumentelor pentru simularea tranzistoarelor MOSFET
Universitatea din Santiago de Compostela
Departamentul de Electronică și Calcul
DEZVOLTAREA UNELTELOR PENTRU
SIMULAREA TRANSISTORILOR MOSFET
Prezintă: Manuel Antonio Aldegunde Rodrguez
Regia: Antonio Jesus Garca Loureiro
Santiago de Compostela, martie 2009
Dr. Antonio Jesus Garca Loureiro, profesor asociat al Departamentului de Electronică la Universitatea din Santiago de Compostela
Că raportul intitulat Dezvoltarea instrumentelor pentru simularea tranzistoarelor MOSFET a fost realizat de domnul Manuel Antonio Aldegunde Rodríguez sub direcția mea în cadrul Departamentului de Electronică și Calcul al Universității din Santiago de Compostela și constituie teza pe care acesta o prezintă pentru a opta pentru gradul de doctor în științe fizice.
Santiago de Compostela, martie 2009
Semnat: Antonio Jesus Garca Loureiro Director al tezei
Semnat: Javier Daz Bruguera Director al Departamentului de Electronică și Calcul
Semnat: Manuel Antonio Aldegunde Rodrguez Autor al tezei
În primul rând, aș dori să-mi exprim recunoștința față de toți acei oameni care, deși nu au fost menționați explicit în paragrafele ulterioare, m-au ajutat să fac această amintire.
Directorul meu, Antonio Garca Loureiro, merită o mulțumire specială pentru ajutorul și sprijinul său constant pe parcursul celor peste patru ani de elaborare a acestei teze. Fără efortul și devotamentul său în momentele cele mai dificile nu aș fi ajuns la acest punct.
Tuturor membrilor Departamentului de Electronică și Calcul, în special membrilor Grupului de Arhitectură de Calculatoare, pentru că mi-au oferit sprijinul necesar pentru realizarea acestei lucrări. Fără facilitățile pe care mi le-a dat acest raport, nici nu ar fi fost posibil. Colegilor mei (și foștilor colegi), în special Oscar, Javi, Diego, Dani, Julio, Juan Angel, Fabi, Marcos, Cris, Raul și Enrique, pentru că au petrecut atât de multe ore în laborator plăcut. Și Nataliei, pentru ajutorul din prima zi, pentru răbdarea, pentru fericirea și prietenia ei.
De asemenea, trebuie să le mulțumesc membrilor Grupului de modelare a dispozitivelor de la Universitatea din Glasgow pentru amabilitatea și colaborarea lor în timpul șederilor mele în Scoția. Printre acestea, trebuie menționat profesorul Asen Asenov, pentru contribuția sa la dezvoltarea acestei teze de doctorat, și Karol Kalna, pentru ajutorul său constant, ideile și explicațiile sale, mai ales în primii mei pași cu metoda Monte Carlo.
Pentru EPCC și mai ales pentru CESGA pentru a permite și facilita accesul la resursele computerului lor. Ministerelor Științei și Tehnologiei și ulterior Educației și Științei pentru finanțare prin proiectele TIN2004-07797-C02 și TIN 2007-67537-C03 și printr-o bursă din programul de formare a cadrelor didactice universitare. Către Xunta de Galicia pentru finanțare prin proiectele DXIDI07TIC01CT și INCITE08PXIB206094PR.
Desigur, familia mea, pentru sprijinul și ajutorul lor constant. Și prietenii mei, fă-mă să plec de la serviciu.
Și din nou tuturor oamenilor pe care nu i-am numit care mi-au făcut posibil să ajung aici.
Știința va fi întotdeauna o căutare, niciodată o descoperire reală. Este o călătorie, niciodată o sosire.
Solurile mă sperie.Vrei să spui înălțimi, a spus Conina. Și nu mai fi prost, știu la ce mă refer! Solurile te omoară!
Rechicero. Terry pratchett
1. Dispozitive MOSFET 9
1.1. MOSFET-ul convențional, scalarea și starea actuală a tehnologiei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2. Alternative la MOSFET-urile standard. . . . . . . . . . . . . . . 121.2.1. MOSFET-uri multiport. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2. Materiale noi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3. Tehnici de simulare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1. Difuzare prin tragere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.2. Model hidrodinamic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.3. Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3.4. Transport cuantic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . douăzeci
2. Generarea ochiurilor tetraedrice 23
2.1. Clasificarea plaselor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2. Metode de generare a plaselor. . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.1. Triunghiurile Delaunay. . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2. Metoda avansării frontale. . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.3. Metode bazate pe descompunerea recursivă a es-
2.3. Generarea mesh utilizând un octree. . . . . . . . . . . . . . 362.3.1. Construirea octreei. . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.3.2. Descompunerea octanților terminali în tetraedru 41
2.3.3. Exemple: timpii de generare a ochiurilor. . . . . 442.3.4. Exemple: calitatea ochiurilor. . . . . . . . . . . . . . 48
2.4. Generarea ochiurilor atomice. . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.1. Teoria funcțională a densității. . . . . . . . . . . . 57
2.4.2. Regiuni cristaline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.3. Regiuni de interfață. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.4. Regiuni amorfe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4.5. Calitatea ochiurilor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5. Rafinament adaptiv al ochiurilor tetraedrice. . . . . . . . . 71
3. Modelul de difuzie prin tragere 75
3.1. Modelul de difuzie prin tragere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.1. Ecuația lui Poisson. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.2. Ecuații de continuitate. . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.1.3. Concentrația purtătorului. . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.4. Factor de generație-recombinare. . . . . . . . . . . 85
3.2. Corecții cuantice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.1. Modelul gradientului de densitate. . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.2. Modelul eficient al marginii benzii de conducție. . . . . . . . 90
3.2.3. Alte abordări. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3. Scalarea variabilelor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4. Discretizarea ecuațiilor de gradient de difuzie și difuzie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.1. Metoda elementelor finite. . . . . . . . . . . . 95
3.4.2. Ecuația lui Poisson. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.4.3. Ecuații de continuitate. . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.4. Ecuațiile modelului gradientului de densitate. . . . . . . . . 107
3.5. Soluție paralelă a sistemelor de ecuații. . . . . . . . . . 110
3.5.1. Ecuații ale sistemului discretizat. . . . . . . . . . . . 111
3.5.2. Metoda Gummel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.5.3. Metoda Newton-Raphson. . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.4. Rezoluția sistemelor liniare. . . . . . . . . . . . . . 115
3.6. Simularea fluctuațiilor dispozitivelor MOSFET din siliciu 117
3.6.1. Impactul granularității polisiliconului. . . . . . . . 117
3.6.2. Impactul unor non-idealități ale oxizilor cu permitivitate ridicată. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.6.3. Impactul pozițiilor aleatorii ale dopanților. . 123
3.6.4. Impactul regiunilor de tranziție între materiale. 127
3.6.5. Simularea fluctuațiilor dispozitivelor IF III-V MOS-FET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4. Metoda de simulare Monte Carlo 137
4.1. Ecuația de transport Boltzmann. . . . . . . . . . . . . . 138
4.2. Metoda Monte Carlo aplicată la simularea transportului în semiconductori. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.1. Zbor gratuit al transportatorilor. . . . . . . . . . . . . . . 143
4.2.2. Dispersia purtătorului. . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3. Tehnici de paralelizare a simulatorului Monte Carlo. . . . . 144
4.4. Simulații Monte Carlo de transport în siliciu. . . . . . . 148
4.4.1. Structura benzii și abordarea analitică. . . . . 149
4.4.2. Principalele mecanisme de dispersie. . . . . . . . . . 151
4.4.3. Rezultate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.5. Simularea dispozitivului: utilizarea ochiurilor tetraedrice. . . . . 157
4.5.1. Corecții cuantice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.5.2. Auto-forțe: atribuirea sarcinii și interpolarea câmpului electric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.5.3. Injecția purtătorilor pe contactele ohmice. . 165
4.5.4. Integrarea ecuațiilor mișcării. . . . . . 166
4.6. Simularea unei porți de 10 nm DG MOSFET. . . . . . 170
A. Dezvoltarea instrumentelor pentru simularea numerică a MOS-
A.1. Generarea ochiurilor de plasă modificată pentru structurile de tip Manhattan 187
A.1.1. Generare standard octree. . . . . . . . . . . . . . . . 188
A.1.2. Generare octree modificată. . . . . . . . . . . . . . . . 188
A.1.3. Algoritmi de generare a plaselor tetraedrice. . . . . . . . . 189
A.1.4. Calitatea ochiurilor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
A.2. Generarea de rețele atomice pentru simularea MOS-FET la scară nanomatică . . . . .
- Exercițiu final pentru dezvoltarea brațelor și a abdomenului, pierderea în greutate - MSN Health and
- EXERCIȚII PENTRU SĂNĂTATE INFINITĂ, CLARITATE MENTALĂ ȘI DEZVOLTARE SPIRITUALĂ; Institutul Macrobiotic Zen
- Cross Training pentru dezvoltarea competențelor - Blog P; LA
- Antrenamentul pentru fiecare om Omul slab Întărirea, dezvoltarea m; sculo - MSN
- Cum să fii psihic pentru a pierde în greutate