트랜지스터 모델

Transistor model

트랜지스터는 동작이 복잡한 간단한 장치다. 트랜지스터를 사용하는 회로의 안정적인 작동을 보장하기 위해서는 트랜지스터 모델을 사용하여 작동에서 관찰된 물리적 현상을 과학적으로 모델링할 필요가 있다. 복잡성과 목적의 범위가 다양한 다양한 모델이 존재한다. 트랜지스터 모델은 소자 설계 모델과 회로 설계 모델의 두 가지 주요 그룹으로 나뉜다.

장치 설계 모델

현대 트랜지스터는 복잡한 물리적 메커니즘을 이용하는 내부 구조를 가지고 있다. 기기 설계는 이온 삽입, 불순물 확산, 산화물 성장, 어닐링 및 식각과 같은 기기 제조 공정이 기기 거동에 어떤 영향을 미치는지 상세하게 이해해야 한다. 프로세스 모델은 제조 단계를 시뮬레이션하고 기기 시뮬레이터에 기기 "지오메트리"에 대한 미시적인 설명을 제공한다. "지오메트리"는 평면 또는 둘레 관문 구조와 같이 쉽게 식별되는 기하학적 특징이나 상승 또는 함몰된 형태의 선원과 배수로를 의미하지는 않는다(눈사태 발생 프로세스에 의한 부유 관문 충전과 관련된 특이한 모델링 문제가 있는 메모리 장치의 경우 그림 1 참조). 또한, 기기처리가 완료된 후의 도핑 프로파일 등 구조 내부의 세부사항도 언급하고 있다.

그림 1: 플로팅게이트 눈사태 주입 메모리 장치 FAMOS

장치가 어떻게 생겼는지에 대한 이 정보를 가지고, 장치 시뮬레이터는 다양한 상황에서 발생하는 물리적 프로세스를 모델링하여 DC 전류-전압 동작, 과도 동작(대신호와 소신호 모두), 장치 레이아웃에 대한 의존성(긴 길이와 좁은 대 짧고 짧은 것)과 같은 다양한 상황에서 장치의 전기적 동작을 결정한다. 넓은 또는 중간 크기 대 직사각형 또는 격리된 대 다른 장치에 근접한 값). 이러한 시뮬레이션은 기기 설계자에게 기기 프로세스가 회로 설계자가 필요로 하는 전기적 동작으로 기기를 생산하는지 여부를 알려주고 필요한 프로세스 개선사항을 프로세스 설계자에게 알리기 위해 사용된다. 공정이 제조에 가까워지면 예측된 기기 특성을 시험 장치의 측정과 비교하여 공정 및 기기 모델이 적절하게 작동하는지 확인한다.

오래 전에 이러한 방식으로 모델링된 장치 동작은 매우 단순했지만(주로 단순한 기하학적 구조의 표류 + 확산) 오늘날에는 미세한 수준에서 더 많은 프로세스를 모델링해야 한다. 예를 들어, 접합부와 산화물의 누설 전류, 속도 포화 및 탄도 운송을 포함한 운송업체의 복잡한 운송, 양자 기계장치와 같은.cal effects, 다중 재료(예: Si-SiGe 장치 및 서로 다른 유전체의 스택) 및 심지어 기기 내부의 이온 배치 및 운반체 운송의 확률론적 성격으로 인한 통계적 영향. 1년에 몇 번씩 기술의 변화와 시뮬레이션을 반복해야 한다. 모델은 새로운 물리적 효과를 반영하거나 더 높은 정확도를 제공하기 위해 변경을 요구할 수 있다. 이들 모델의 유지·개선은 그 자체로 사업이다.

이러한 모델은 매우 컴퓨터 집약적이며 기기 내부의 3차원 그리드에 결합된 부분 미분방정식의 상세한 공간적 및 시간적 해법이 포함된다.[1][2][3][4][5] 이러한 모델은 실행 속도가 느리고 회로 설계에 필요하지 않은 세부 정보를 제공한다. 따라서 회로 매개변수를 지향하는 보다 빠른 트랜지스터 모델이 회로 설계에 사용된다.

회로 설계 모델

트랜지스터 모델은 거의 모든 현대적인 전자 설계 작업에 사용된다. SPICE와 같은 아날로그 회로 시뮬레이터는 모델을 사용하여 설계의 동작을 예측한다. 대부분의 설계 작업은 주로 장치를 만드는 데 사용되는 포토마스크에 대한 툴링 비용이 매우 큰 통합 회로 설계와 관련되며, 설계를 반복하지 않고 작동시킬 수 있는 경제적 유인이 크다. 완전하고 정확한 모델을 통해 많은 수의 설계가 처음으로 작동될 수 있다.

현대의 회로는 보통 매우 복잡하다. 그러한 회로의 성능은 사용하는 기기의 모델을 포함하되 이에 국한되지 않고 정확한 컴퓨터 모델이 없으면 예측하기 어렵다. 장치 모델에는 트랜지스터 배치의 영향: 폭, 길이, 중성화, 다른 장치와의 근접성, 과도현상 및 DC 전류-전압 특성, 기생 장치 캐패시턴스, 저항 및 인덕턴스, 시간 지연, 온도 영향 등이 포함되어 있다.[6]

큰 부호 비선형 모델

비선형 또는 대형 신호 트랜지스터 모델은 크게 세 가지 유형으로 나뉜다.[7][8]

물리 모델

이들은 트랜지스터 내 물리적 현상의 대략적인 모델링에 기초하여 장치 물리학에 기반한 모델이다. 이 모델 내의 파라미터는 산화물의 두께, 기질 도핑 농도, 반송파 이동성 등과 같은 물리적 특성에 기초한다. 과거에는 이러한 모델들이 광범위하게 사용되었지만, 현대적 장치의 복잡성으로 인해 정량적 설계에 적합하지 않다. 그럼에도 불구하고, 그들은 예를 들어 신호 이동 제한의 단순화된 추정치를 위해 수동 분석(즉, 회로 설계의 개념 단계에서)에 있는 장소를 찾는다.

경험적 모형

이 유형의 모델은 트랜지스터 작동 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 가장 적합하게 측정된 데이터를 어떤 기능과 매개변수 값이든 사용하여 완전히 곡선 적합에 기초한다. 물리적 모델과 달리 경험적 모델에서 매개변수는 근본적 근거를 필요로 하지 않으며, 매개변수를 찾는 데 사용되는 적합 절차에 따라 달라진다. 모델이 원래 장착되었던 데이터 범위를 벗어난 설계에 대한 추정에 사용되는 경우 적합 절차는 이러한 모델의 성공에 핵심적이다. 이런 외삽은 그런 모델의 희망이지만 아직까지는 충분히 실현되지 않고 있다.

작은 신호 선형 모형

회로 설계의 개념 단계(컴퓨터 시뮬레이션이 보증되기 전에 대체 설계 아이디어 사이에서 결정)와 컴퓨터를 사용하여 안정성, 이득, 소음 및 대역폭을 평가하기 위해 작은 신호 또는 선형 모델을 사용한다. 작은 신호 모델은 바이어스 포인트 또는 Q 포인트에 대해 전류 전압 곡선의 파생 모델을 취함으로써 생성된다. 신호가 소자의 비선형성에 비해 작다면 파생상품은 크게 달라지지 않으며, 표준 선형회로 소자로 취급할 수 있다. 소형 신호 모델의 장점은 직접 해결할 수 있는 반면 대형 신호 비선형 모델은 일반적으로 수렴 또는 안정성 문제가 발생할 수 있는 반복적으로 해결된다는 것이다. 선형모델로 단순화함으로써, 예를 들어, 동시 방정식, 결정요인, 행렬 이론(흔히 선형대수의 일부로 연구됨), 특히 크레이머의 법칙과 같은 선형 방정식을 푸는 전체 기구를 이용할 수 있게 된다. 또 다른 장점은 선형 모델이 생각하기 쉽고, 생각을 정리하는데 도움이 된다는 것이다.

소신호 매개변수

트랜지스터의 매개변수는 그 전기적 특성을 나타낸다. 엔지니어는 생산 라인 시험과 회로 설계에 트랜지스터 파라미터를 사용한다. 회로 게인, 입력 임피던스 및 출력 임피던스를 예측하기에 충분한 트랜지스터의 매개변수 그룹은 소형 신호 모델의 구성요소들이다.

트랜지스터 모델링을 위해 여러 가지 다른 2포트 네트워크 매개변수 세트를 사용할 수 있다. 여기에는 다음이 포함된다.

벡터 네트워크 분석기를 사용하여 주어진 바이어스 지점에서 트랜지스터에 대한 산란 파라미터 또는 S 파라미터를 측정할 수 있다. S 매개변수는 표준 매트릭스 대수 연산을 사용하여 다른 매개변수 세트로 변환할 수 있다.

인기 모델

참고 항목

참조

  1. ^ Carlo Jacoboni; Paolo Lugli (1989). The Monte Carlo Method for Semiconductor Device Simulation. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3-211-82110-4.
  2. ^ Siegfried Selberherr (1984). Analysis and Simulation of Semiconductor Devices. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3-211-81800-6.
  3. ^ Tibor Grasser (Editor) (2003). Advanced Device Modeling and Simulation (Int. J. High Speed Electron. and Systems). World Scientific. ISBN 981-238-607-6.CS1 maint: 추가 텍스트: 작성자 목록(링크)
  4. ^ Kramer, Kevin M. & Hitchon, W. Nicholas G. (1997). Semiconductor devices: a simulation approach. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-614330-X.
  5. ^ Dragica Vasileska; Stephen Goodnick (2006). Computational Electronics. Morgan & Claypool. p. 83. ISBN 1-59829-056-8.
  6. ^ Carlos Galup-Montoro; Mǻrcio C Schneider (2007). Mosfet Modeling for Circuit Analysis And Design. World Scientific. ISBN 978-981-256-810-6.
  7. ^ Narain Arora (2007). Mosfet Modeling for VLSI Simulation: Theory And Practice. World Scientific. Chapter 1. ISBN 978-981-256-862-5.
  8. ^ Yannis Tsividis (1999). Operational Modeling of the MOS Transistor (Second ed.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-065523-5.

외부 링크