Ημικλασσική προσομοίωση QW-FET με κανάλι ημιαγωγών III-V

Abstract

Μία ολόκληρη εποχή τεχνολογικής εξέλιξης των ημιαγώγιμων διατάξεων ψηφιακών εφαρμογών φτάνει στο τέλος της. Για δεκαετίες η σμίκρυνση του MOSFET αύξανε συνεχώς την απόδοση των διακοπτικών στοιχείων και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων υψηλής επίδοσης (high performance ICs). Η δοκιμασμένη συνταγή αδυνατεί πλέον να δώσει τα επιθυμητά άλματα στα χαρακτηριστικά των διατάξεων. Η βιομηχανία των ημιαγωγών και η ερευνητική κοινότητα αναζητούν εναγωνίως την τεχνολογία που θα αντικαταστήσει την Si CMOS. Πολλές διατάξεις εμφανίζονται ως επίδοξοι διάδοχοι. Η όποια λύση προτιμηθεί θα πρέπει να έχει εξαιρετικές και μακροχρόνιες προοπτικές για να πάρει τη θέση της τεχνολογίας πυριτίου, της πιο μελετημένης και εξελιγμένης ίσως ανθρώπινης τεχνολογίας, που αναπτύχθηκε τα τελευταία πενήντα χρόνια. Οι μέχρι τώρα προτεινόμενες πειραματικές διατάξεις QW‐FET με κανάλι ημιαγωγών III‐V επιδεικνύουν πολύ αξιόλογα χαρακτηριστικά. Στην εξερεύνηση των δυνατοτήτων και των ορίων διαφορετικών υλικών και διατάξεων τα τελευταία χρόνια, πολύ σημαντικό ρόλο παίζει η ανάπτυξη προγραμμάτων προσομοίωσης ημιαγώγιμων διατάξεων. Τα προγράμματα προσομοίωσης αφορούν τόσο τις κατασκευαστικές διεργασίες των ημιαγώγιμων διατάξεων όσο και τη λειτουργία τους. Η προσφορά τους είναι πολύτιμη σε εξοικονόμηση χρόνου και πόρων. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της εξέλιξης των αλγορίθμων προσομοίωσης είναι η αποδοτικότητα και η ακρίβεια με την οποία προσομοιώνουν φυσικά φαινόμενα τα οποία είναι πολύ απαιτητικά από υπολογιστικής άποψης. Πολλές φορές το ένα από τα δύο χαρακτηριστικά θυσιάζεται στο βωμό του άλλου. Η εργασία χωρίζεται σε τρία κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο αναπτύσσονται θεμελιακές έννοιες της θεωρητικής ανάλυσης ημιαγώγιμων διατάξεων στην κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσονται τα φαινόμενα μεταφοράς φορέων στους ημιαγωγούς. Δίνεται βάρος στην κλασσική μεταφορά φορέων, ενώ εισάγεται και η φόρμουλα του Landauer ως βάση για να παρουσιαστούν βασικές έννοιες της βαλλιστικής μεταφοράς φορέων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το αδιέξοδο στο οποίο έχει βρεθεί η τεχνολογία πυριτίου και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι διατάξεις QW‐FET με κανάλι ημιαγωγών III‐V. Επίσης συνοψίζονται τρία διαφορετικά σύνολα εξισώσεων που χρησιμοποιούνται σε προγράμματα προσομοίωσης καθώς και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που έγιναν στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας.

The Si-MOSFET scaling era reaches an end. The next high performance ICs technology has to be very promising and long range beneficial in order to replace Silicon technology, the most advanced human technology. QW-FETs demonstrate excessive ON current performance while reducing the supply voltage. Simulation algorithms provide great chances of reducing time and resources at the device design cycle. The most important part of the algorithms' evolution is their ability to simulate computationally heavy physical phenomena with greater accuracy and effectiveness. This Diploma thesis is divided into three parts. In the first part, main theoretical concepts of the semiconductor analysis under equillibrium are presented. In the second part, the carrier transport phenomena are explained. Both classical theory and Landauer formalism are introduced. In the third part, the results of the simulations executed in the frame of the present work get featured.