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Modelo de transistor

Los transistores son dispositivos sencillos con un comportamiento complejo . Para garantizar el funcionamiento fiable de los circuitos que los emplean, es necesario modelar cien...

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Los transistores son dispositivos sencillos con un comportamiento complejo . Para garantizar el funcionamiento fiable de los circuitos que los emplean, es necesario modelar científicamente los fenómenos físicos observados durante su funcionamiento mediante modelos de transistores . Existe una variedad de modelos que difieren en complejidad y finalidad. Los modelos de transistores se dividen en dos grandes grupos: modelos para el diseño de dispositivos y modelos para el diseño de circuitos.

Modelos para el diseño de dispositivos

El transistor moderno posee una estructura interna que aprovecha complejos mecanismos físicos. El diseño del dispositivo requiere una comprensión detallada de cómo los procesos de fabricación, como la implantación iónica , la difusión de impurezas , el crecimiento de óxido , el recocido y el grabado , afectan su comportamiento. Los modelos de proceso simulan las etapas de fabricación y proporcionan una descripción microscópica de la "geometría" del dispositivo al simulador . "Geometría" no se refiere a características geométricas fácilmente identificables, como una estructura de puerta plana o envolvente, o formas elevadas o hundidas de la fuente y el drenaje (véase la Figura 1 para un dispositivo de memoria con algunos desafíos de modelado inusuales relacionados con la carga de la puerta flotante mediante un proceso de avalancha). También se refiere a detalles dentro de la estructura, como los perfiles de dopaje después de completar el procesamiento del dispositivo.

Figura 1: Dispositivo de memoria de inyección de avalancha de puerta flotante FAMOS

Con esta información sobre la apariencia del dispositivo, el simulador modela los procesos físicos que tienen lugar en él para determinar su comportamiento eléctrico en diversas circunstancias: comportamiento de corriente-tensión en CC, comportamiento transitorio (tanto de señal grande como pequeña) y dependencia de la disposición del dispositivo (largo y estrecho frente a corto y ancho, interdigitado frente a rectangular, o aislado frente a próximo a otros dispositivos). Estas simulaciones indican al diseñador del dispositivo si el proceso producirá dispositivos con el comportamiento eléctrico requerido por el diseñador del circuito, y se utilizan para informarle sobre cualquier mejora necesaria en el proceso. Una vez que el proceso se acerca a la fabricación, las características previstas del dispositivo se comparan con las mediciones realizadas en dispositivos de prueba para verificar que los modelos del proceso y del dispositivo funcionan correctamente.

Aunque hace tiempo el comportamiento del dispositivo modelado de esta manera era muy simple —principalmente deriva más difusión en geometrías simples— , hoy en día se deben modelar muchos más procesos a nivel microscópico; por ejemplo, corrientes de fuga [ 1 ] en uniones y óxidos, transporte complejo de portadores que incluye saturación de velocidad y transporte balístico, efectos mecánicos cuánticos, uso de múltiples materiales (por ejemplo, dispositivos Si-SiGe y pilas de diferentes dieléctricos ) e incluso los efectos estadísticos debidos a la naturaleza probabilística de la colocación de iones y el transporte de portadores dentro del dispositivo. Varias veces al año la tecnología cambia y las simulaciones deben repetirse. Los modelos pueden requerir cambios para reflejar nuevos efectos físicos o para proporcionar mayor precisión. El mantenimiento y la mejora de estos modelos es un negocio en sí mismo.  

Estos modelos requieren una gran capacidad de cálculo, ya que implican soluciones espaciales y temporales detalladas de ecuaciones diferenciales parciales acopladas en cuadrículas tridimensionales dentro del dispositivo. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Dichos modelos son lentos y proporcionan detalles innecesarios para el diseño de circuitos. Por lo tanto, para el diseño de circuitos se utilizan modelos de transistores más rápidos, orientados a los parámetros del circuito.

Modelos para el diseño de circuitos

Los modelos de transistores se utilizan en casi todos los trabajos de diseño electrónico modernos . Los simuladores de circuitos analógicos , como SPICE, emplean modelos para predecir el comportamiento de un diseño. La mayor parte del trabajo de diseño se relaciona con circuitos integrados , que tienen un coste de utillaje muy elevado, principalmente por las fotomáscaras utilizadas para crear los dispositivos, y existe un gran incentivo económico para que el diseño funcione sin iteraciones. Los modelos completos y precisos permiten que un gran porcentaje de diseños funcionen correctamente a la primera.

Los circuitos modernos suelen ser muy complejos. El rendimiento de dichos circuitos es difícil de predecir sin modelos informáticos precisos, que incluyen, entre otros, modelos de los dispositivos utilizados. Los modelos de dispositivos incluyen efectos de la disposición de los transistores: ancho, longitud, interdigitación, proximidad a otros dispositivos; características transitorias y de corriente-tensión continua ; capacitancia, resistencia e inductancia parásitas del dispositivo; retardos de tiempo; y efectos de la temperatura; por mencionar algunos aspectos. [ 7 ]

Modelos no lineales de gran señal

Los modelos de transistores no lineales o de gran señal se dividen en tres tipos principales: [ 8 ] [ 9 ]

Modelos físicos

Estos son modelos basados ​​en la física de dispositivos , basados ​​en el modelado aproximado de fenómenos físicos dentro de un transistor. [ 1 ] [ 10 ] Los parámetros [ 11 ] [ 12 ] dentro de estos modelos se basan en propiedades físicas tales como espesores de óxido, concentraciones de dopaje del sustrato, movilidad de portadores, etc. [ 13 ] En el pasado, estos modelos se usaban ampliamente, pero la complejidad de los dispositivos modernos los hace inadecuados para el diseño cuantitativo. No obstante, encuentran un lugar en el análisis manual (es decir, en la etapa conceptual del diseño de circuitos), por ejemplo, para estimaciones simplificadas de limitaciones de oscilación de señal.

Modelos empíricos

Este tipo de modelo se basa completamente en el ajuste de curvas , utilizando las funciones y los valores de parámetros que mejor se ajusten a los datos medidos para permitir la simulación del funcionamiento del transistor. A diferencia de un modelo físico, los parámetros en un modelo empírico no necesitan tener una base fundamental y dependerán del procedimiento de ajuste utilizado para encontrarlos. El procedimiento de ajuste es clave para el éxito de estos modelos si se pretende utilizarlos para extrapolar a diseños que se encuentran fuera del rango de datos al que se ajustaron originalmente. Dicha extrapolación es una de las aspiraciones de estos modelos, pero aún no se ha logrado por completo.

Modelos lineales de pequeña señal

Los modelos lineales o de pequeña señal se utilizan para evaluar la estabilidad , la ganancia , el ruido y el ancho de banda , tanto en las etapas conceptuales del diseño de circuitos (para decidir entre ideas de diseño alternativas antes de que se justifique la simulación por computadora) como mediante el uso de computadoras. Un modelo de pequeña señal se genera tomando derivadas de las curvas corriente-voltaje alrededor de un punto de polarización o punto Q. Siempre que la señal sea pequeña en relación con la no linealidad del dispositivo, las derivadas no varían significativamente y pueden tratarse como elementos de circuito lineal estándar. Una ventaja de los modelos de pequeña señal es que se pueden resolver directamente, mientras que los modelos no lineales de gran señal generalmente se resuelven iterativamente, con posibles problemas de convergencia o estabilidad . Al simplificar a un modelo lineal, se dispone de todo el aparato para resolver ecuaciones lineales, por ejemplo, ecuaciones simultáneas , determinantes y teoría de matrices (a menudo estudiada como parte del álgebra lineal ), especialmente la regla de Cramer . Otra ventaja es que un modelo lineal es más fácil de comprender y ayuda a organizar el pensamiento.

Parámetros de pequeña señal

Los parámetros de un transistor representan sus propiedades eléctricas. Los ingenieros utilizan los parámetros de los transistores en las pruebas de la línea de producción y en el diseño de circuitos. Un conjunto de parámetros de un transistor, suficientes para predecir la ganancia del circuito , la impedancia de entrada y la impedancia de salida, son componentes de su modelo de pequeña señal .

Se pueden utilizar varios conjuntos de parámetros de red de dos puertos diferentes para modelar un transistor. Estos incluyen:

Los parámetros de dispersión, o parámetros S, se pueden medir para un transistor en un punto de polarización determinado con un analizador de redes vectoriales . Los parámetros S se pueden convertir a otro conjunto de parámetros mediante operaciones estándar de álgebra matricial .

Véase también

Referencias

  1. 1 2 WO2000077533A3 , Lui, Basil, "Método y simulador de simulación de dispositivos semiconductores", publicado el 26/04/2001 
  2. ↑ Carlos Jacoboni; Paolo Lugli (1989). "El método Monte Carlo para la simulación de dispositivos semiconductores" . Viena: Springer-Verlag. ISBN 3-211-82110-4.
  3. ↑ Siegfried Selberherr (1984). Análisis y Simulación de Dispositivos Semiconductores . Viena: Springer-Verlag. ISBN 3-211-81800-6.
  4. ↑ Tibor Grasser, ed. (2003). Modelado y simulación avanzados de dispositivos (Int. J. High Speed ​​Electron. and Systems) . World Scientific. ISBN 981-238-607-6.
  5. ↑ Kramer, Kevin M. y Hitchon, W. Nicholas G. (1997). Dispositivos semiconductores: un enfoque de simulación . Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-614330-X.
  6. ↑ Dragica Vasileska ; Stephen Goodnick (2006). Electrónica Computacional . Morgan & Claypool. pág. 83. ISBN  1-59829-056-8.
  7. ↑ Carlos Galup-Montoro; Mǻrcio C Schneider (2007). Modelado de MOSFET para análisis y diseño de circuitos . World Scientific. ISBN 978-981-256-810-6.
  8. ↑ Narain Arora (2007). Modelado de MOSFET para simulación VLSI: teoría y práctica . World Scientific. Capítulo 1. ISBN 978-981-256-862-5.
  9. ↑ Yannis Tsividis (1999). Modelado operacional del transistor MOS (Segunda edición). Nueva York: McGraw-Hill. ISBN  0-07-065523-5.
  10. ↑ Lui, Basil; Migliorato, P (1997-04-01). "Un nuevo modelo de generación-recombinación para la simulación de dispositivos que incluye el efecto Poole-Frenkel y el efecto túnel asistido por fonones" . Solid-State Electronics . 41 (4): 575– 583. Bibcode : 1997SSEle..41..575L . doi : 10.1016/S0038-1101(96)00148-7 . ISSN 0038-1101 . 
  11. ↑ Lui, Basil; Tam, SWB; Migliorato, P. (1998). "Un extractor de parámetros de TFT de polisilicio" . MRS Online Proceedings Library . 507 : 365. doi : 10.1557/PROC-507-365 . ISSN 0272-9172 . 
  12. ↑ Kimura, Mutsumi; Nozawa, Ryoichi; Inoue, Satoshi; Shimoda, Tatsuya; Lui, Basil; Tam, Simon Wing-Bun; Migliorato, Piero (2001-09-01). "Extracción de estados trampa en la interfaz óxido-silicio y límite de grano para transistores de película delgada de silicio policristalino" . Japanese Journal of Applied Physics . 40 (9R): 5227. Bibcode : 2001JaJAP..40.5227K . doi : 10.1143/JJAP.40.5227 . ISSN 1347-4065 . S2CID 250837849 .  
  13. ↑ Lui, Basil; Tam, SW-B.; Migliorato, P.; Shimoda, T. (2001-06-01). "Método para la determinación de la densidad de estados de volumen e interfaz en transistores de película delgada" . Journal of Applied Physics . 89 (11): 6453– 6458. Bibcode : 2001JAP....89.6453L . doi : 10.1063/1.1361244 . ISSN 0021-8979 . 
  • Software Agilent EEsof EDA, extracción de parámetros IC-CAP y modelado de dispositivos http://eesof.tm.agilent.com/products/iccap_main.html
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