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Deterministic simulation of junctionless nanowire field effect transistors
2020
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-08
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07441
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794157/files/794157.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Boltzmann transport equation (frei) ; ballistic transport (frei) ; nanowire transistor (frei) ; noise analysis (frei) ; numerical methods (frei) ; small signal (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Mit zunehmender Verkleinerung der Strukturgröße von Feldeffekttransistoren (FETs) in den Deka-Nanometerbereich verlieren die üblicherweise verwendeten makroskopischen Ansätze wie Drift-Diffusion und hydrodynamische Modelle ihre Gültigkeit und eine detaillierte Beschreibung des mikroskopischen Verhaltens der Ladungsträger wird für die Bauelementesimulation unerlässlich. In dieser Arbeit wird ein vollständig selbstkonsistenter und deterministischer Löser für das System aus Poisson-, Schrödinger- und Boltzmann-Gleichung entwickelt, zugeschnitten auf den speziellen Fall des Gate-all-around Nanodraht FET. Im Simulationsframework werden verschiedene numerische Verfahren verwendet, wie die H-Transformation und eine Zerlegung der Verteilungsfunktion in gerade und ungerade Anteile auf einem gestaffelten Gitter, und die Gleichungen werden mit dem Newton-Raphson-Verfahren gelöst, welches eine quadratische Konvergenz bereits innerhalb einiger weniger Iterationen aufweist. Verschiedene Inter- und Intra-Valley Streumechanismen, geeignete Randbedingungen und Quantisierungseffekte werden mit einbezogen, und es wird gezeigt, dass der Löser sogar im Deep-Subthreshold Bereich robust und stabil ist. Zusätzlich zu den stationären Simulationen wird eine Kleinsignalanalyse in einem sinusförmigen stationären Zustand durchgeführt und wichtige Größen wie die Grenzfrequenz, die maximale Oszillationsfrequenz und der Rollet-Stabilitätsfaktor erhalten und erörtert. Darüber hinaus wird der Langevin-Quellen-Ansatz für die selbstkonsistente Berechnung des Rauschverhaltens angewendet, wodurch der erste deterministische BE-Löser für die Rauschanalyse von Nanodraht-FETs resultierte. Größen wie die spektrale Leistungsdichte der Kontaktströme, die Drain und Gate Überschussrauschfaktoren, Kreuzkorrelations- und die Rauschunterdrückungsfaktoren werden vorgestellt und für verschiedene Gatelängen verglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz für die Diskretisierung der BE auf der Grundlage von charakteristischen Kurven und des Matrixexponentials entwickelt, welcher auch auf den ballistischen Transport anwendbar ist und nicht von den numerischen Defiziten der H-Transformation im 1D Phasenraum betroffen ist. Die Ergebnisse dieser quasi-ballistischen Simulationen werden vorgestellt und mit solchen aus Momentengleichungen verglichen, die durch die Projektion der BE auf Hermite-Polynome erhalten werden. Es wird gezeigt, dass die vorwiegend ballistischen Phänomene nicht mit Systemen von Momentengleichungen unter vereinfachten Randbedingungen behandelt werden können. Das Versagen des Momentenmodells bei der Beschreibung des ballistischen Transports hat wichtige Implikationen für die Existenz von Dyakonov-Shur Terahertz-Instabilitäten in 1D high-mobility Bauteilen.As the feature lengths of the field-effect transistors (FETs) are scaled down to the deca-nanometer range, the commonly used macroscopic approaches such as drift-diffusion and hydrodynamic models lose their validity and a detailed description of the microscopic behavior of charge carriers becomes essential for device simulation. In this work, a fully self-consistent and deterministic solver for the system of Poisson, Schrödinger, and Boltzmann equations tailored to the specific case of gate-all-around junctionless nanowire FETs is developed. The simulation framework employs various numerical techniques such as the H-transformation and an even/odd decomposition of the distribution function on a staggered grid for stabilization of the Boltzmann equation (BE), and the equations are solved with the Newton-Raphson approach which demonstrates quadratic convergence within just a few iterations. Different inter- and intra-valley scattering mechanisms, suitable boundary conditions, and quantization effects are included, and the solver is shown to be robust and stable even in the deep subthreshold region. In addition to the stationary simulations, small signal analysis is carried out under the sinusoidal steady state condition and important figures of merit such as the cut-off frequency, maximum oscillation frequency, and Rollet stability factor are obtained and discussed. Moreover, the Langevin-source approach is used for self-consistent calculation of noise, resulting in the first deterministic BE solver for noise analysis of nanowire FETs. Quantities such as the power spectral densities of terminal currents, the drain and gate excess noise factors, cross-correlation, and the noise suppression factors are presented and compared for different gate lengths. In the second part of this work, an alternative approach based on the characteristic curves and matrix exponentials is developed for the discretization of the BE, which is also applicable to the ballistic transport and does not sufferfrom the numerical deficiencies of H-transformation in 1D phase space. The results of the quasi-ballistic simulations are presented and compared to those of the moments equations obtained from the projection of the BE onto Hermite polynomials. It is shown that the predominantly ballistic phenomena cannot be treated with systems of moments equations and simplified boundary conditions. The failure of moments model in describing the ballistic modes of transport has important implications for the existence of Dyakonov-Shur terahertz instabilities in high mobility 1D devices.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020528587
Interne Identnummern
RWTH-2020-07441
Datensatz-ID: 794157
Beteiligte Länder
Germany
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