Model stárnutí unipolárního tranzistoru

Abstract

S neustálým vývojem v bezdrátových komunikacích je v posledních letech žádoucí integrace rádio-frekvenčních a komunikačních obvodů do jednoho čipu. Technologie CMOS se postupem času neustále vyvíjí, a proto se stává více atraktivní pro realizaci implementace systému do jediného čipu. CMOS tranzistory jsou však stále zmenšovány, a proto ve vzrůstajícím elektrickém poli významně roste efekt horkých přepravců (HCI). Pokud je oxid zmenšen na méně než 5 nm je zde pravděpodobnost měkkého nebo tvrdého selhání oxidu (S/HBD). Výsledkem generování těchto oxidových pastí je dlouhodobá odchylka od normálního výkonu, která souvisí se spolehlivostí zařízení a obvodů. Se zmenšováním a rostoucími ztrátami na výkonu se provozní teplota značně zvyšuje. Další problém ve spolehlivosti zařízení je teplotní nestabilita pracovního bodu (NBTI) způsobená pastmi pod vysokou teplotou a záporným napětím hradla, které vzniká při zvýšené operační teplotě zařízení. Extrakce parametrů je velmi důležitou součásti procesu modelování elektronických součástí, protože hledá hodnoty neznámých parametrů matematického modelu, který modeluje fyzikální závislosti dané součástky. Potíž je, že problém extrakce je špatně postavenou úlohou, jejíž řešení je obtížné. Tato diplomová práce také ukazuje extrakci (vyjmutí) parametru, metodiku optimalizace a ověřování těchto poznatků na matematických modelech MOSFET tranzistoru (LEVEL1, LEVEL2 a LEVEL3). Uvedená nelineární metoda je založena na metodě nejmenších čtverců, kterou řešíme Levenberg - Marquardtovým algoritmem.

According to non-stopable progress in wireless communications, it is desirable to integrate the RF front-end with the baseband building blocks of communication circuits into a one chip in the recent years. The CMOS technology advances, this is the reason why it becomes attractive for system-on-a-chip implementation, but CMOS device is getting shrink, so the channel electric field increasing and the hot carrier (HCI) effect becomes more significant. If the oxide is scaled down to less than 3 nm, then there is the possibility of soft or hard oxide breakdown (S/HBD) often takes place. As a result of the oxide trapping and interface generation is the long term performance drift and related reliability problems in devices and circuits. During the scaling and increasing chip power dissipation operating temperatures for device have also is increasing. Another reliability concern is the negative bias temperature instability (NBTI) caused by the interface traps under high temperature and negative gate voltage bias are arising while the operation temperature of devices is increasing. Parameter’s extraction is a very important part of the current electronic components modeling process, as it looking for the value of the unknown parameters in mathematical model, which represents physical behavior of given electronic component. The problem of parameter extraction is that fits electronic components mathematical model to a measured data set is an ill-posed problem and its solution is inherently difficult. This diploma thesis presents the parameter extraction, optimization methodology and verifies it on a case study of a MOSFET mathematical models (LEVEL1, LEVEL2 and LEVEL3) parameter extraction. The presented nonlinear method is based on the method of the least squares, which is solved with the aid of Levenberg- Marquardt’s algorithm.