Accounting for Quantum Effects and Polysilicon Depletion in an Analytical Design-Oriented MOSFET Model

Abstract An analytical MOSFET model is presented that accounts for energy quantization in inversion charge and depletion in the poly gate. The model consistently describes effects on charges, transcapacitances, drain current and transconductances in all regions of operation, depending on five physical device parameters and bias conditions. Comparison to experimental data is provided and parameter extraction briefly discussed. The model offers manageable equations providing insight into the physical phenomena, thereby supporting analog circuit design practice as well as efficient circuit simulation

Quand l’Évolution se prête au jeu…

Créé par l’École de l’ADN et ses partenaires, « Trivial Évolution » est un jeu éducatif qui a pour objectifs de faire découvrir les concepts de base de l’Évolution des espèces et de combattre les idées reçues sur la théorie de l’Évolution : les concepteurs présentent ici une première évaluation de cet outil ludique de vulgarisation scientifique.Developed by the ADN school and its partners, « Trivial Evolution » is an educational board game which aims at helping players to grasp the basic concepts of species evolution, and to combat preconceived ideas concerning the Evolution theory: the designers present a first-time assessment of this educative and fun tool for the general public interested in Science

FOSS EKV2.6 Verilog-A Compact MOSFET Model

The EKV2.6 MOSFET compact model has had a considerable impact on the academic and industrial community of analog integrated circuit design, since its inception in 1996. The model is available as a free open-source software (FOSS) tool coded in Verilog-A. The present paper provides a short review of foundations of the model and shows its capabilities via characterization and modeling based on a test chip in 180 nm CMOS fabricated via Europractice

Etude et modélisation compacte du transistor FinFET ultime

Une des principales solutions technologiques liées à la réduction d échelle de la technologie CMOS est aujourd hui clairement orientée vers les transistors MOSFET faiblement dopés à multiples grilles. Ceux-ci proposent une meilleure immunité contre les effets canaux courts comparés aux transistors MOSFET bulk planaires (cf. ITRS 2011). Parmi les MOSFETs à multiples grilles, le transistor FinFET SOI est un candidat intéressant de par la similarité de son processus de fabrication avec la technologie des transistors planaires. En parallèle, il existe une réelle attente de la part des concepteurs et des fonderies à disposer de modèles compacts efficaces numériquement, précis et proches de la physique, insérés dans les design tools permettant alors d étudier et d élaborer des circuits ambitieux en technologie FinFET. Cette thèse porte sur l élaboration d un modèle compact orienté conception du transistor FinFET valide aux dimensions nanométriques. Ce modèle prend en compte les effets canaux courts, la modulation de longueur de canal, la dégradation de la mobilité, leseffets de mécanique quantique et les transcapacités. Une validation de ce modèle est réalisée par des comparaisons avec des simulations TCAD 3D. Le modèle compact est implémenté en langage Verilog-A afin de simuler des circuits innovants à base de transistors FinFET. Une modélisation niveau-porte est développée pour la simulation de circuits numériques complexes. Cette thèse présente également un modèle compact générique de transistors MOSFET SOI canaux long faiblement dopés à multiple grilles. La dépendance à la température est prise en compte. Selon un concept de transformation géométrique, notre modèle compact du transistor MOSFET double grille planaire est étendu pour s appliquer à tout autre type de transistor MOSFET à multiple grille (MuGFET). Une validation expérimentale du modèle MuGFET sur un transistor triple grille est proposée. Cette thèse apporte enfin des solutions pour la modélisation des transistors MOSFET double grille sans jonction.One of the main technological solutions related to downscaling of CMOS technology is now clearly oriented to lightly doped multigate MOSFETs. They offer better immunity against short channel effects compared to planar bulk MOSFETs (see ITRS 2011). Among the multigate MOSFETs, the SOI FinFET transistor is an interesting candidate because of the similarity of its manufacturing process with the planar transistor technology. In parallel, there is a real expectation on the part of designers and foundries to have compact models numerically efficient, accurate and close to the physics, and then inserted in to the design tools in order to study and develop ambitious circuits in FinFET technology. This thesis focuses on the development of a design-oriented compact model of FinFET transistor valid to nanoscale dimensions. This model takes into account the short channel effects, the channel length modulation, the mobility degradation, the quantum mechanic effects and the transcapacitances. A validation of this model is carried out by comparisons with 3DTCAD simulations. The compact model is implemented in Verilog-A to simulate innovative FinFET-based circuits. A gate-level modeling is developed for the simulation of complex digital circuits. This thesis also presents a generic compact modeling of multigate SOI MOSFETs with lightly doped channels and temperature dependent. According to a concept of geometric transformation, our compact model of the planar double-gate MOSFET is extended to be applied to any other type of multigate MOSFETs (MuGFET). An experimental validation of the MuGFET compact model with a triple gate transistor is proposed. This thesis finally brings solutions for the modeling of junction less double-gate MOSFET.STRASBOURG-Bib.electronique 063 (674829902) / SudocSudocFranceF

Structuration d'un flot de conception pour la biologie synthétique

La biologie synthétique est une science issue du rapprochement entre les biotechnologies et les sciences pour l ingénieur. Elle consiste à créer de nouveaux systèmes biologiques par une combinaison rationnelle d éléments biologiques standardisés, découplés de leur contexte naturel. L environnement, l agroalimentaire et la santé figurent parmi ses principaux domaines d application. Cette thèse s est focalisée sur les aspects liés à la conception ex-vivo de ces biosystèmes artificiels. A partir des analogies réalisées entre les processus biologiques et certaines fonctions électroniques, l accent a été mis sur la réutilisation et l adaptation des outils de conception numériques, supportant l approche de conception top-down . Ainsi, une adaptation complète des méthodes de CAO de la microélectronique a été mise en place pour la biologie synthétique. Dans cette optique, les mécanismes biologiques élémentaires ont été modélisés sous plusieurs niveaux d abstraction, allant de l abstraction numérique à des modèles flux de signal et des modèles conservatifs. Des modèles en logique floue ont aussi été développés pour faire le lien entre ces niveaux d abstraction. Ces différents modèles ont été implémentés avec deux langages de description matérielle et ont été validés sur la base de résultats expérimentaux de biosystèmes artificiels parmi les plus avancés. Parallèlement au travail de formalisation des modèles destinés au flot de conception, leur amélioration a aussi été étudiée : la modélisation des interactions entre plusieurs molécules a été rendue plus réaliste et le développement de modèles de bruits biologiques a également été intégré au processus. Cette thèse constitue donc une contribution importante dans la structuration et l automatisation d étapes de conception pour les biosystèmes synthétiques. Elle a permis de tracer les contours d un flot de conception complet, adapté de la microélectronique, et d en mettre en évidence les intérêts.Synthetic biology is a science derived from the rapprochement between biotechnology and engineering science. It aims to create new biological systems through a rational combination between standardized biological elements which are disconnected from their natural context. Its main areas of application are the environment, the food-processing industry and the health sector. This thesis focuses on the ex vivo design aspects of these artificial biosystems. Thanks to analogies between biological processes and some electronic functions, the emphasis was put on reusing and adapting digital design tools that are fitting the top-down design approach. Thus, microelectronics CAD methods have been completely adapted to synthetic biology. In this regard, basic biological mechanisms have been modelled with various levels of abstraction, from digital abstraction to signal flow and conservative models. Fuzzy logic models have also been developed as a link between these levels of abstraction. These models have been implemented with two hardware description languages. They have been proven correct thanks to experimental results from state-of-the-art artificial biosystems. Concurrently to their formalization, improvements of design flow models have been studied: the modelling of interactions between several molecules have been made more realistic and the development of models for biological noise have been integrated to the process. This thesis is an important contribution to the structuring and the automation of some design steps for synthetic biosystems. It has made possible to highlight and to trace the outlines of a complete design flow, adapted from microelectronics.STRASBOURG-Bib.electronique 063 (674829902) / SudocSudocFranceF

Étude et modélisation compacte d'un transistor MOS SOI double-grille dédié à la conception

Nous proposons un modèle compact du transistor MOS double-grille silicium sur isolant (SOI) en mode de fonctionnement symétrique. Le modèle est basé sur le formalisme EKV et offre les caractéristiques suivantes : une expression analytique simple décrivant le comportement statique et dynamique du dispositif, des relations "directes" entre charges-tensions et tensions-courant, une méthode de calcul numérique robuste et rapide, une implémentation aisée du modèle dans un langage de haut niveau tel que VHDL-AMS permettant ainsi une simulation rapide et précise des caractéristiques électriques. Le modèle prend en compte non seulement les effets de petites géométries tels que l'abaissement de la barrière de potentiel induit par le drain; le partage de charge, la dégradation de la pente sous le seuil ainsi que la réduction de la mobilité des porteurs, mais également les effets dynamiques extrinsèques. Il a été validé pour des dispositifs de longueur de canal de 60nm. Savalidation a été effectuée par comparaison de ses résultats avec ceux obtenus sur le simulateur de composants Atlas/SILVACO.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Etude et modélisation du comportement électrique des transistors MOS fortement submicroniques

La modélisation précise des transistors MOS pour la conception et la simulation de circuits est un défi constant en raison de la nature évolutive de la technologie CMOS. L'objectif de cette thèse est d'une part d'étudier les principaux effets résultant de la miniaturisation des TMOS et d'autre part de proposer des modèles analytiques simples et originaux permettant de les prendre en compte. Les bases physiques nécessaires à la formulation d'un modèle idéal sont présentées au chapitre 2, de même qu'un état de l'art des principaux modèles compacts de TMOS (modèles destinés à la simulation de circuits) actuellement utilisés. Le troisième chapitre est consacré à une étude détaillée du comportement capacitif extrinsèque du TMOS fortement submicronique. Un nouveau modèle de capacités parasites est également proposé puis validé à partir de simulations numériques à deux dimensions. Le quatrième chapitre fait état d'une étude approfondie des effets quantiques au sein des transistors n-MOS. L'influence des effets quantiques sur les différentes caractéristiques électriques (I-V, C-V) du TMOS est discutée. Un nouveau modèle quantique, formulé intégralement en potentiel de surface, est alors développé. Ce modèle est complètement analytique, valable de l'accumulation à l'inversion, et ne nécessite aucun paramètre d'ajustement. Utilisé conjointement à un modèle en feuille de charge, il autorise une description précise et continue des caractéristiques électriques majeures du TMOS telles que les charges, les capacités, le courant de drain, la transconductance, etc. Le nouveau modèle est finalement validé par comparaison avec des résultats expérimentaux de différentes technologies CMOS avancées. En conclusion, cette thèse démontre qu'une approche pragmatique de la modélisation compacte permet de réaliser des modèles simples, efficaces et physiquement cohérents.Accurate MOS transistor modeling for circuit design and simulation is a constant challenge due to the continuously evolving of CMOS technology. The objective of this thesis is on the one hand to study the main effects resulting from MOSFET miniaturization and on the other hand to propose simple and original analytical models accounting for them. The physical basis necessary to the formulation of an ideal MOSFET model is presented in chapter 2. In addition, a state of the art of the most widely used compact MOSFET models (models for circuit simulation) is also discussed. Chapter 3 is devoted to a detailed study of the extrinsic capacitive behavior of deep-submicron MOSFETs. A new model of parasitic capacitances is developed and then validated by two-dimensional numerical simulations. Chapter 4 introduces a depth study of the quantization effects in both accumulation and inversion layers of n-MOS transistors. The impact of quantum effects on the various electrical characteristics (I-V, C-V) is discussed. A new fully analytical surface-potential-based MOSFET model accounting for the quantum effects is then derived in full detail. This model is valid from accumulation to inversion and does not need any fitting parameter. Within the context of a charge sheet model, it leads to an accurate and continuous description of major MOSFET electrical characteristics such as charges, capacitances, drain current, transconductance, etc. The new model is finally validated by comparison with experimental results from various advanced CMOS technologies. In conclusion, this thesis demonstrates that a pragmatic approach of compact modeling enables the development of simple, efficient and physically coherent models.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Is systemc-ams an appropriate promoter for the modeling and simulation of bio-compatible systems ?

International audienceThe paper presents an innovative approach for the modeling and simulation of heterogeneous biological systems based on SystemC-AMS, an open-source C++ extension to the OSCI SystemC Standard. After some basic notions on synthetic biology, an analogy is drawn between this active field of research and nanoelectronics. The paper then presents the SystemC-AMS Timed DataFlow (TDF) modeling formalism used to model these multidomain devices. It also details the presented case study, a bio-compatible system with feedback consisting of a biological sensor instanciating a T flip-flop BioBrick and a EnFET, a voluntarily simple digital processing unit and an actuator based on the Hodgkin-Huxley neuron model. Some simulation results are given that validate the use of SystemC-AMS as an attractive, open-source and flexible framework for modeling complex bio-compatible systems

Quantum surface potential model suitable for advanced MOSFETs simulation

Abstract-An analytical solution physically accounting for the quantum mechanical effects within the context of an explicit surface-potential-based MOSFET model is presented. The quantum model does not need any additional parameter, and is fully dependent on all terminal voltages. It gives an accurate and continuous description of the surface potential and its derivatives in all regions of operation. The validity of our new modeling approach is confirmed by both comparisons with simulation data (obtained using self-consistent Schrödinger-Poisson numerical calculations) and experimental data from an advanced deepsubmicron CMOS technology