Compact DC Modeling of Tunnel-FETs

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

Compact DC Modeling of Tunnel-FETs

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

Compact Models for Integrated Circuit Design

This modern treatise on compact models for circuit computer-aided design (CAD) presents industry standard models for bipolar-junction transistors (BJTs), metal-oxide-semiconductor (MOS) field-effect-transistors (FETs), FinFETs, and tunnel field-effect transistors (TFETs), along with statistical MOS models. Featuring exercise problems at the end of each chapter and extensive references at the end of the book, the text supplies fundamental and practical knowledge necessary for efficient integrated circuit (IC) design using nanoscale devices. It ensures even those unfamiliar with semiconductor physics gain a solid grasp of compact modeling concepts

Compact Modeling of Intrinsic Capacitances in Double-Gate Tunnel-FETs

La miniaturització dels MOSFET en els circuits integrats ha elevat la tecnologia microelectrònica. Aquesta tendència també augmenta el grau de complexitat d'aquests circuits i els seus components bàsics. En els MOSFET convencionals, el corrent es basa en l'emissió termoiònica de portadors de càrrega, que per això limita el pendent subumbral en aquests transistors a 60 mV / dec. Per tant, per superar aquest límit i continuar amb la miniaturització per mantenir el ritme de la llei de Moore, es requereixen estructures alternatives. Entre aquestes, el transistor d'efecte de camp per túnel (TFET) es considera un possible successor de l'MOSFET. A causa del seu mecanisme alternatiu de transport de corrent, conegut com a túnel de banda a banda (B2B), el pendent subumbral en TFET pot fer-se inferior al límit de 60 mV / dec. Per comprendre i estimar el comportament dels TFET, no només com un element únic sinó també a nivell de circuit, es requereix un model compacte d'aquest dispositiu. En aquesta tesi es presenta un model basat en càrrega per descriure el comportament capacitiu d'un TFET de doble porta (DG TFET). No obstant això, la simplicitat i la flexibilitat de el model permeten usar-lo per a un altre tipus d'estructures TFET, com els TFET planars o de nanofils d'una sola porta (SG TFETs). El model és verificat amb les simulacions TCAD, així com amb mesures experimentals de TFET fabricats. El model de capacitància també inclou l'efecte dels elements paràsits. A més, en el context d'aquest treball també s'investiga la influència dels contactes de barrera Schottky en el comportament capacitiu dels TFET. Aquest model finalment es combina amb un model DC compacte existent per formar un model TFET compacte complet. A continuació, el model compacte s'implementa per a simulacions transitòries de circuits oscil·ladors d'anell basats en TFET.La miniaturización de los MOSFET en los circuitos integrados ha elevado la tecnología microelectrónica. Esta tendencia también aumenta el grado de complejidad de estos circuitos y sus componentes básicos. En los MOSFET convencionales, la corriente se basa en la emisión termoiónica de portadores de carga, que por ello limita la pendiente subumbral en estos transistores a 60 mV/dec. Por tanto, para superar este límite y continuar con la miniaturización para mantener el ritmo de la ley de Moore, se requieren estructuras alternativas. Entre estas, el transistor de efecto de campo por túnel (TFET) se considera un posible sucesor del MOSFET. Debido a su mecanismo alternativo de transporte de corriente, conocido como túnel de banda a banda (B2B), la pendiente subumbral en TFET puede hacerse inferior al límite de 60 mV/dec. Para comprender y estimar el comportamiento de los TFET, no sólo como un elemento único sino también a nivel de circuito, se requiere un modelo compacto de este dispositivo. En esta tesis se presenta un modelo basado en carga para describir el comportamiento capacitivo de un TFET de doble puerta (DG TFET). Sin embargo, la simplicidad y la flexibilidad del modelo permiten usarlo para otro tipo de estructuras TFET, como los TFET planares o de nanohílos de una sola puerta (SG TFETs). El modelo es verificado con las simulaciones TCAD, así como con medidas experimentales de TFET fabricados. El modelo de capacitancia también incluye el efecto de los elementos parásitos. Además, en el contexto de este trabajo también se investiga la influencia de los contactos de barrera Schottky en el comportamiento capacitivo de los TFET. Este modelo finalmente se combina con un modelo DC compacto existente para formar un modelo TFET compacto completo. A continuación, el modelo compacto se implementa para simulaciones transitorias de circuitos osciladores de anillo basados en TFET.Miniaturization of the MOSFETs on the integrated circuits has elevated the microelectronic technology. This trend also increases the degree of complexity of these circuits and their building blocks. In conventional MOSFETs the current is based on the thermionic—emission of charge carrier, which therefore limits the subthreshold swing in these transistors to 60 mV/dec. Hence, to overcome this limit and continue with down scaling to keep pace with the Moor’s law, alternative structures are required. Among these, the tunnel—field—effect transistor (TFET) is considered as a potential successor of the MOSFET. Due to its alternative current transport mechanism, known as band—to—band (B2B) tunneling, the subthreshold swing in TFETs can overcome the 60 mV/dec limit. In order to comprehend and estimate the behavior of TFETs, not only as a single element but also on the circuit level, a compact model of this device is required. In this dissertation a charge –based model to describes the capacitive behavior of a double—gate (DG) TFET is presented. However, simplicity and flexibility of the model allow to use it for other type of TFET structures such as single—gate (SG) planar or nanowire TFETs. The model is verified with the TCAD simulations as well as the measurement data of fabricated TFETs. The capacitance model also includes the effect of the parasitic elements. Furthermore, in the context of this work also the influence of Schottky barrier contacts on the capacitive behavior of TFETs is investigated. This model is finally combined with an existing compact DC model to form a complete compact TFET model. The compact model is then implemented for transient simulations of TFET—based inverter and ring—oscillator circuits

Two-Dimensional Analytical Modeling of Tunnel-FETs

Basat en un mecanisme de transport de corrent de banda a banda, el túnel-FET és capaç de superar la limitació de pendent sub-llindar física del MOSFET de 60 mV /dec. Per tant, s'ha convertit en un dels dispositius més prometedors per ser el successor del MOSFET clàssic en els últims anys. Aquesta tesi descriu tots els passos necessaris per modelar analíticament un Túnel-FET de doble porta. El model inclou una solució electrostàtica de dues dimensions en totes les regions del dispositiu, el que permet fins i tot simulacions hetero-unió del dispositiu. Per a un comportament més realista del dispositiu, cal tenir en compte el rendiment del dispositiu que limita els perfils de dopatge de forma Gaussiana en les unions del canal. Les expressions per a les probabilitats de túnel de banda a banda i les de Trap-Assisted-Tunneling (TAT) són executades per un enfocament WKB quasi bidimensional. El corrent del dispositiu es calcula mitjançant la teoria de transmissió de Landauer. El model és vàlid per a dispositius de canal curt i les estàncies estan ben comparades amb les dades de simulació TCAD Sentaurus i amb les medicions proporcionades. S'introdueix un modelo general per les flactuacions del dopant aleatoria, que prediu les influencies característiques del dispositiu en el corrent de sortida i el voltatge llindar. El model s'aplica al MOSFET, així com a dispositius TFET.Basado en un mecanismo de transporte de corriente banda a banda, el Tunnel-FET es capaz de superar la limitación de pendiente sub-umbral física del MOSFET de 60 mV/dec. Por lo tanto, esto lo convierte en uno de los dispositivos más prometedores para ser el sucesor del MOSFET clásico en los últimos años. Esta tesis describe todos los pasos necesarios para modelar analíticamente un Tunnel-FET de doble puerta. El modelo incluye una solución electrostática bidimensional en todas las regiones del dispositivo, lo que permite incluso simulaciones de hetero-unión del dispositivo. Para un comportamiento más realista del dispositivo se tiene en cuenta el rendimiento del dispositivo que limita los perfiles de dopaje de forma Gaussiana en las uniones del canal. Las expresiones para las probabilidades de túnel de banda a banda y de Trap-Assisted-Tunneling (TAT) se implementan mediante un enfoque de WKB cuasi bidimensional. La corriente del dispositivo se calcula mediante la teoría de transmisión de Landauer. El modelo es válido para dispositivos de canal corto y las estancias están bien comparadas con los datos de simulación TCAD Sentaurus y con las mediciones proporcionadas. Se introduce un modelo general para las fluctuaciones del dopado aleatorio, que predice las influencias características del dispositivo en la corriente de salida y el voltaje umbral. El modelo se aplica al MOSFET, así como a los dispositivos TFET.Based on a band-to-band current transport mechanism, the Tunnel-FET is able to overcome the physical subthreshold slope limitation of the MOSFET of 60 mV/dec. Therefore, it has become one of the most promising devices to be the successor of the classical MOSFET in the last few years. This thesis describes all necessary steps to analytically model a double-gate Tunnel-FET. The model includes a two-dimensional electrostatic solution in all device regions, which enables even hetero-junction device simulations. Device performance limiting Gaussian-shaped doping profiles at the channel junctions are taken into account for a realistic device behavior. Expressions for the band-to-band and trap-assisted-tunneling probabilities are implemented by a quasi two-dimensional WKB approach. The device current is calculated based on Landauer's transmission theory. The model is valid for short-channel devices and stays is good agreement with the TCAD Sentaurus simulation data and with the provided measurements. A general model for random-dopant-fluctuations is introduced, which predicts characteristic device influences on the output current and threshold voltage. The model is applied to MOSFET, as well as TFET devices

Universal analytic model for tunnel FET circuit simulation

A simple analytic model based on the Kane-Sze formula is used to describe the current-voltage characteristics of tunnel field-effect transistors (TFETs). This model captures the unique features of the TFET including the decrease in subthreshold swing with drain current and the superlinear onset of the output characteristic. The model also captures the ambipolar current characteristic at negative gate-source bias and the negative differential resistance for negative drain-source biases. A simple empirical capacitance model is also included to enable circuit simulation. The model has fairly general validity and is not specific to a particular TFET geometry. Good agreement is shown with published atomistic simulations of an InAs double-gate TFET with gate perpendicular to the tunnel junction and with numerical simulations of a broken-gap AlGaSb/InAs TFET with gate in parallel with the tunnel junctio