Etude et modélisation du comportement électrique des transistors MOS fortement submicroniques
Résumé
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.
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.
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