Two-Dimensional Analytical Modeling of Tunnel-FETs

Abstract

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.