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Ultra Small SOI DG MOSFETs and RF MEMS Applications

Cobianu, Oana Mihaela :
Ultra Small SOI DG MOSFETs and RF MEMS Applications.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ultra Small SOI DG MOSFETs and RF MEMS Applications
Language: English
Abstract:

The continuous scaling-down process of the channel length over the last four decades is reaching its limits in terms of gate oxide thickness, short channel effects and power consumptions, all the above issues driving increased leakage currents. The dual gate SOI CMOSFET devices are expected to replace the bulk CMOSFET transistors for a better control of the entire device electrostatics. In this context, the current thesis proposes an one-dimensional analytical modeling of a novel symmetric Double-Gate SOI CMOSFET transistor, covering the dc and ac analyses, as well as its potential nano-electronics and RF MEMS applications. Our methodology offers a good characterization of the device in all regions of operation with the only assumptions of the light doping of the substrate and constant electron mobility. The silicon electrostatic potentials, inversion charge, electrical current drain and the small-signal parameters in terms of transconductance and output conductance are calculated for a silicon thickness of 20 nm, so that the volume inversion feature to be analytically proved, for 1 V voltage supply. A major contribution of the work is also, the AC analysis of an un-doped symmetric SOI MOSFET device, starting from the derivation of the small-signal circuit, continuing with the evaluation of terminal charges and capacitances and ending with the calculation of the RF figures of merits such as the cut-off frequency and the maximum frequency of oscillation. In addition, the thesis introduces the idea of the asymmetry behavior of the symmetric DG SOI MOSFET as a function of the applied channel voltage. Further, the work emphasizes the specific challenges of the analytical modeling for asymmetric DG SOI MOSFET devices, where the complexity of the mathematical equations reaches its limits. Our entire analytical model of an un-doped symmetrical DG SOI MOSFET, is implemented in Verilog-A code in order to better support the compact device modeling and make it available for the design of the next generation of circuits. Thus, the new obtained library has been used in "Cadence", the typical design and modeling tool. In accordance with this goal, the operation of a common source amplifier based on the above-developed Verilog A code for the DG SOI MOSFET transistor will be shown. Driven by the present scientific community effort to integrate the RF MEMS vibrating components and the electronic circuits for getting one chip transceiver in the near future, within this thesis we have combined the DG SOI MOSFET circuits with RF MEMS resonators for developing at the virtual level on-chip frequency generating functions. In this case, the thesis presents how the perturbation method can be applied to design a non-linear oscillator comprising of a DG SOI MOSFET device and a RF MEMS resonator used for the positive feedback loop.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die stetige Reduktion der Kanallängen von MOS-Transistoren während der letzten vier Jahrzehnte erreicht aufgrund zu dünner GATEOXIDDICKEN und wegen des Vorhandenseins von KURZKANALEFFEKTEN sowie zu großen Verlustleistungen nach und nach eine natürliche Grenze, da der Leckstrom durch diese Effekte negativ beeinflusst wird. Von den Dual-Gate SOI CMOSFET Bauteilen erwartet man, dass sie die herkömmlichen CMOSFET Transistoren ersetzen werden, da ihre elektrostatischen Eigenschaften besser kontrollierbar sind. In dieser Arbeit wird ein eindimensionales Modell zur analytischen Beschreibung neuartiger Doppelgate SOI CMOSFET Transistoren vorgestellt, mit dem nicht nur das Gleich- und Wechselstromverhalten, sondern auch deren Anwendungsmöglichkeit für Nanoelektronik oder RF MEMS untersucht werden kann. Unsere Methode erlaubt eine genaue Charakterisierung des Bauteils unter allen Betriebsbedingungen, wobei lediglich die Annahmen leichter Substratdotierung und konstanter Elektronenbeweglichkeit gemacht wurden. Die elektrostatischen Potentiale von Silizium, die Inversionsladungen, der Verluststrom und die Kleinsignalparameter werden in Hinblick auf Leit- und Gegenwirkleitwert für Siliziumdicken von 20 nm berechnet. Ebenso enthält diese Arbeit die AC-Analyse eines undotierten symmetrischen SOI MOSFETs. Sie reicht von der Ableitung des Kleinsignal-Schaltkreises über die Auswertung von Anschlussladungen und -kapazitäten bis hin zur Berechnung der Gütefaktoren wie Grenzfrequenz oder maximaler Oszillationsfrequenz. Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Idee des kanalspannungsabhängigen asymmetrischen Verhaltens von symmetrischen DG SOI MOSFETs eingeführt. Weiterhin werden die Herausforderungen beschrieben, die die analytische Behandlung asymmetrischer DG SOI MOSFETs mit sich bringt. Hierbei erreicht bzw. übersteigt die Komplexität der mathematischen Gleichungen die Möglichkeiten analytischer Methoden. Um die Modellierung kompakter Bauteile bestmöglich zu unterstützen und diese für die nächste Generation integrierter Schaltkreise verfügbar zu machen, wurde das gesamte analytische Modell eines undotierten DG SOI MOSFETs in der Hardwarebeschreibungssprache Verilog-A implementiert. Die so erhaltene Bibliothek wurde in "Cadence", einem gebräuchlichen Design- und Modellierungstool verwendet. In diesem Zusammenhang wird die Arbeitsweise eines Common-Source Verstärkers analysiert, basierend auf dem oben vorgestellten Verilog-A code des DG SOI MOSFET Transistors. Motiviert durch den in der wissenschaftlichen Gemeinschaft gegenwärtig betriebenen Aufwand, RF MEMS Komponenten und die zugehörigen elektronischen Schaltungen in eine Ein-Chip-Lösung für Sende- und Empfangsmodule zu integrieren, wurden in dieser Arbeit DG SOI MOSFET Schaltungen zusammen mit RF MEMS Resonatoren kombiniert, um On-Chip Frequenzgeneratoren auf einer virtuellen Ebene zu implementieren. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, wie "Pertubation"-Methoden angewendet werden können, um nichtlineare Oszillatoren mit Hilfe eines DG SOI MOSFETs und eines RF MEMS Resonators in der positiven Rückkopplungsschleife zu realisieren.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Mikroelektronische Systeme
Date Deposited: 19 May 2009 10:19
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13871
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Glesner, Prof. Dr. Manfred and Anca Manuela, Prof. Dr.- Manolescu
Refereed: 24 April 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1387
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