Statistical cryogenic modeling methodology of MOSFET DC characteristics in BSIM3
MOSFET DC karakteristiğinin kriyojenik koşullarda BSIM3 ile istatistiksel olarak modellenmesi
- Tez No: 559127
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BERKE YELTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Elektronik devre tasarımları bilgisayar destekli benzetim programları aracılı˘gıyla test edilirken endüstriyel model standartları kullanılır ve bu standartlar transistör seviyesinde hesaplamalar yaparak istenilen çıktıları gösterir. Simülasyon programlarında kullanılan model standartları elle çözülemeyecek kadar karma¸sık seviyede akım-gerilim denklemlerinden olu¸sur ve bu denklemlerin içerisinde sıcaklı˘ga ba˘gımlı birçok parametre yer alır. Kullanılan transistör teknoloisine göre üreticiler model parametrelerini tasarımcılara verirler ve bu parametreler yalnızca belli bir sıcaklık aralı˘gında anlamlı sonuçlar üretirler. Bu aralık dı¸sında gerçekle¸stirilen benzetimler; sıcaklık aralı˘gından uzakla¸sıldıkça gerçe˘ge daha uzak sonuçlar vermektedirler. Sa˘glanan model parametreleri oda sıcaklı˘gı referans alınarak olu¸sturulurlar. Endüstride en çok kullanılan modellerden bir tanesi BSIM3 standartlarıdır. BSIM3, -55oC ile 125oC derece sıcaklık aralı˘gında düzgün sonuç verebilece˘gini garanti eder ve yapılan benzetimlerde oda sıcaklı˘gından uzakla¸stıkça hata miktarı bu aralıkta kalınsa bile artmaktadır. Çünkü sıcaklı˘ga ba˘glı parametreler, benzetim sıcaklı˘gının oda sıcaklı˘gından farkı ile çarpan durumundadırlar ve oda sıcaklı˘gından uzakla¸sıldıkça parametrenin sonuca etkisi artmaktadır. Dü¸sük sıcaklıklarda çalı¸sılması gereken ortamlarda bu etki dikkate alınmalıdır, standart modeller kullanıldı˘gında devre performansı tamamen de˘gi¸smektedir. Oda sıcaklı˘gından çok daha dü¸sük sıcaklıklarda çalı¸sılan alanların ba¸sında uzay elektroni˘gi, kuantum elektroni˘gi ve savunma sanayii gelmektedir. Çalı¸smada hedef olarak uzay ko¸sulları seçilmi¸stir. Ay yüzeyi veya Uluslararası Uzay ˙Istasyonu dikkate alındı˘gında -150oC derece sıcaklıklar görülmekte, uzay bo¸slu˘gunda ise bu de˘ger -270oC derecelere ula¸sabilmektedir. Üreticilerin yayınladı˘gı standart modeller bu sıcaklıklar için kullanılamazlar aksi halde devre performansı beklenenden çok farklı olur veya devre tamamıyla çalı¸smaz hale gelebilir. Üretim sonrası bu tip sorunlarla kar¸sıla¸smamak için benzetim sonuçlarının dü¸sük sıcaklıklar için de gerçek performans de˘gerlerine yakınsanması gerekmektedir. Yakla¸sık olarak -150oC derecenin altında sıcaklı˘ga sahip ortamlar kriyojenik olarak adlandırılır. Kriyojenik ko¸sullar gibi uç noktalarda çalı¸sacak devreler için yeni transistör modelleri olu¸sturulması gerekmektedir aksi durumda benzetim sonuçları üretilecek devre ile çok farklı olacaktır. Bu çalı¸smada kriyojenik ortamlarda transistörlerin DC karakteristi˘gindeki de˘gi¸simler incelenmi¸s ve endüstriyel seviyede kullanılan benzetim programlarının anlamlı sonuç üretebilmesi için BSIM3 standardı bozulmadan MOSFET modellerinin; sıcaklık katsayılarının otomatik olarak de˘gi¸stirilebilece˘gi bir yöntem bilim önerilmi¸s ve gerçeklenmi¸stir. Model olu¸sturmak için üreticilerin de kullandı˘gı çe¸sitli programlar mevcuttur ancak bu programlar iteratif yöntemlerle ölçüm sonuçlarını, model sonuçlarına yakınsayarak model parametreleri üzerinde rastlantısal de˘gi¸siklikler gerçekle¸stirerek en uygun de˘gerleri elde etmeye çalı¸sırlar. Önerilen yöntemde ise geli¸stirilen algoritma iteratif yöntemleri de˘gil, BSIM denklemlerini ele alarak ölçüm sonuçlarında gözlemlenen de˘gi¸simlerin fiziksel etkilerini ayrı ayrı inceler ve gerekli denklemleri ba˘gımsız olarak ele alır. Fiziksel etkiyi modelleyen parametreyi, denklemlerin ölçüm sonuçlarına e¸sitlenerek çözdürülmesiyle elde eder. Bu sayede yeni parametre setinin fiziksel olarak anlamlı ¸sekilde olu¸sturulmasıyla daha geni¸s sıcaklık aralı˘gında da sonuçların benzer kalması ve hata oranlarının do˘grusal olarak de˘gi¸smesi beklenmektedir. Sıcaklık dü¸stükçe transistör karakteristi˘ginde en dikkat çekici iki fiziksel etki; mobilite ve e¸sik gerilimindeki de˘gi¸simlerdir. Mobilite, yük ta¸sıyıcılarının elektrik alan içerisindeki hareket kabiliyetlerini temsil eder ve sıcaklık dü¸stükçe ta¸sıyıcıların saçılma miktarlarında dü¸sü¸s ya¸sandı˘gı için mobilitede artı¸s ya¸sanır. Mobilitedeki artı¸s aynı gerilim altında bir MOSFET'in üzerinden geçen akım miktarının artması demektir ve akım de˘gerleri transistör boyutuna ba˘glı olarak oda sıcaklı˘gı referans alındı˘gında 3 katın üzerine çıkabilmektedir. Kanal boyu daraldıkça akım artı¸s miktarı uzun kanallara göre daha azdır. Yine sıcaklık dü¸sü¸sü ile birlikte MOSFET içerisinde yüzey gerilimindeki artı¸stan kaynaklı olarak fakirle¸smi¸s bölgenin geni¸sledi˘gi gözlemlenir bu sebeple MOSFET'in aktif hale geçti˘gi bir ba¸ska deyi¸sle e¸sik gerilimine ula¸stı˘gı anda kanalda yer alması gereken ta¸sıyıcı yo˘gunlu˘guna eri¸smek için daha çok enerjiye ihtiyaç duyulur; yani e¸sik gerilimi sıcaklı˘gın dü¸smesiyle birlikte artar. Çalı¸sma içerisinde önerilen yöntem ile fiziksel etkileri temsil eden e¸sitlikler içerisindeki sıcaklı˘ga ba˘gımlı parametreler MATLAB üzerinde gerçeklenen algoritma aracılı˘gı ile sırayla hesaplanır. Algoritma Cadence Analog Design Environment benzetim programı ile paralel olarak çalı¸sır. BSIM3 standardının, MOSFET'lerin DC karakteristi˘gini simgeleyen yayınlanmı¸s tüm e¸sitlikleri algoritma içerisine eklenmi¸stir. Ancak yayınlanan BSIM3 e¸sitlikleri tüm denklemleri içermez ve benzetim programları yayınlanmı¸s denklemler dı¸sında hesaplamaları da sisteme dahil ederler. Simülatörlerin kullandı˘gı e¸sitlikler ile algoritmaya dahil edilmi¸s BSIM e¸sitliklerini örtü¸stürmek için MATLAB'de hesaplanan akım de˘geri ile simülatörden elde edilen akım de˘geri arasındaki fark bir katsayı yardımı ile giderilir ve bu hesaplanan katsayı algoritma içerisinde daha sonra tekrar kullanılacak olan BSIM3 e¸sitlikleri içerisine dahil edilir. Hesaplamanın gerçekle¸stirilmesi için kullanılacak olan teknolojideki bir MOSFET'in istenen sıcaklıkta ölçümü alınmalı ve bu ölçüm sonucu algoritmaya dahil edilmelidir. Sistem önce so˘guktaki ölçüm sonuçlarını alıp BSIM e¸sitliklerini kullanarak ölçümü yapılan sıcaklıkta hesaplama yapar ve hesaplanan ile ölçüm arasındaki farkı sıcaklık ile çarpan olarak gelen parametreleri de˘gi¸stirerek giderir. Parametrelerin de˘gi¸stirilmesi önce e¸sik geriliminin hesaplanması ile ba¸slar. Yeni e¸sik gerimi olu¸sturulduktan sonra tekrar benzetim yapılır ve elde edilen sonuçlar sisteme dahil edilerek sırasıyla mobilite ve doyma hızı parametreleri hesap edilir. Bu fiziksel etkileri gövde gerilimi sıfır olmayan durumlar için modelleyen ayrı parametreler vardır. Her bir e¸sitlik tekrardan farklı gövde gerilimi ölçümü dikkate alınarak hesap edilir. Tüm i¸slemlerin sonunda algoritma kriyojenik ölçüm sonuçlarını yakınsayacak yeni bir parametre dosyası olu¸sturur ve bu dosya BSIM3 standardını destekleyen herhangi bir benzetim programı üzerinde çalı¸stırılarak karma¸sık devrelerin kriyojenik ortamlar için davranı¸sı incelenebilir. Çalı¸smada, algoritmanın do˘grulanması için 0.18 mm teknolojisinde farklı kanal boyu ve geni¸sliklere sahip MOSFET'ler sıvı azot altında ölçülmü¸stür. Sıvı azot -196oC derece kaynama sıcaklı˘gına sahiptir ve uzay bo¸slu˘gu hariç uzay ko¸sullarına benzer ko¸sulları elde edebilmek için do˘gada bulunan en uygun ve en çok kullanılan malzemedir. ˙ITÜ VLSI Duran Leblebici Laboratuvarı'nda bulunan kriyojenik ölçüm istasyonu vasıtasıyla ölçümler alınmı¸stır. Ölçümler paketsiz olarak üretilmi¸s olan kırmıklar üzerinde yapılmı¸s ve farklı boyutta transistörler kullanılmı¸stır. Her boyuttaki transistör için 10'ar adet ölçüm yapılarak istatistiksel analizler elde edilmi¸stir. Daha sonra ölçüm sonuçları algoritma üzerinde çalı¸stırılarak yeni model dosyaları olu¸sturulmu¸s ve bu model dosyaları Cadence Analog Design Environment benzetim programı üzerinde çalı¸stırılarak, ham BSIM3 model sonuçları ile kar¸sıla¸stırılmı¸stır. De˘gi¸stirilmemi¸s model parametreleri ile yapılan benzetim sonuçlarıyla ölçüm sonuçları arasında %100'e kadar varabilen hatalar gözlemlenirken, algoritma vasıtasıyla olu¸sturulan yeni modellerin hata oranları farklı boyutlara sahip tüm MOSFET'ler için %5'in altına indirilmi¸stir. Farklı boyutlara sahip MOSFET'ler üzerinde sıcaklık de˘gi¸siminin etkisi incelenmi¸s ve sonuçlar aktarılmı¸stır. MOSFET seviyesinde gösterilen sonuçların ardından modeller ring osilatör devresi üzerinde de kullanılmı¸s ve ölçüm sonuçları ile do˘grulanmı¸stır. Böylelikle kriojenik ko¸sulların MOSFET'ler üzerindeki fiziksel etkileri incelenmi¸s, bu ko¸sullar için model üreten algoritma olu¸sturulmu¸s, farklı boyutlardaki MOSFET'lerden, -196oC derecede sonuçlar alınmı¸s ve bu sonuçlar ile modeller üretilip benzetim sonuçları, ölçüm sonuçları ile kıyaslanmı¸stır. Hem ölçüm sonuçlarının hem de yeni olu¸sturulan modellerin istatistiksel analizleri payla¸sılarak modelleme için tüm kriterler çalı¸sma içerisinde incelenmi¸s ve sonuçlarla sergilenmi¸stir.
Özet (Çeviri)
Electronic design automation tools (EDA) and electronic computer-aided design softwares (ECAD) use industrial standard models to converge the simulation results to realistic attitudes of devices. These models can satisfy meaningful simulation results only for a specific temperature range and they are generally extracted under room temperature circumstances. BSIM3 is one of the most commonly used model standard in the industry and supports only between -55oC and 125oC. There is a need to model cryogenic conditions to be able to produce trustworthy designs for extreme environment electronics such as military and space applications. A methodology has developed to produce a new model file with only modifying temperature dependency parameters analytically; therefore, there is no need to use iterative model extraction methods also, more robust model files can be obtained with this methodology. In the proposed automation system, mobility, threshold voltage and velocity saturation changes are taken into account and BSIM3 equations are used to compute the temperature dependency parameters of these phenomenas. The methodology has been developed in MATLAB to calibrate temperature dependency parameters of BSIM3. Rather than modifying BSIM3 equations, the algorithm only changes the values of relevant parameters through analytical operations. Resulting cryogenic models have been extensively verified through device measurements performed on a cryogenic probe station cooled by liquid nitrogen (196oC). The model can estimate with an error of less than 5% the ID VGS and IDVDS curves of transistors having different channel lengths and widths. Statistical analysis of cryogenic measurements is used to introduce variation levels on top of regular cryogenic operations to identify the impact of process variations of cryogenic conditions. Models adjusted to various temperatures between 196oC and 40oC are have been accomplished for applications requiring a broader range of cryogenic operating temperature. Experimental data collected from a ring oscillator is used to visualize the model performance in estimating the cryogenic characteristics of a circuit. Distortions on the I-V curves of simulation results have been suppressed and average errors of various sizes NMOS and PMOS transistors for 0.18 mm technology has been reduced significantly by using this methodology
Benzer Tezler
- Tek ve çift atomlu gazların kriyojenik sıcaklıklarda termodinamik özeliklerinin modellenmesi
Modelling the thermodynamic properties of monatomic and diatomic gases at the cryogenic temperatures
SEVAN KARABETOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALTUĞ ŞİŞMAN
- Kesici takımlara uygulanan kriyojenik işlemin ınconel 625 nikel esaslı süperalaşımın işlenebilirliğine etkisinin deneysel nümerik ve istatistiksel araştırılması
Experimental numerical and statistical investigation of the effect of cryogenic treatment applied on cutting tools on machinability of inconel 625 nickel based superalloy
MAHİR AKGÜN
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİL DEMİR
- Kriyojenik işlem görmüş matkaplar ile AA 7075 alüminyum alaşımının MQL destekli delinmesinde kesme performansının deneysel ve istatistiksel araştırılması
Experimental and statistical investigation of cutting performance in MQL assisted drilling of AA 7075 aluminum alloy with cryogenic treated drills
GÖKHAN ÖZGER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİL DEMİR
DOÇ. DR. MAHİR AKGÜN
- Liyofilizasyon işlemi esnasında bazı laktik asit bakterilerinin canlılıkları üzerine kriyojenik koruyucu maddelerin etkileri
Effects of cryogenic additives on the survival of some lactic acid bacteria in lyophilization
YASEMİN PINARKARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
BiyoteknolojiSelçuk ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET AYAR
- İşlenmesi zor malzemenin tornalanmasının yüzey pürüzlülüğüne etkisinin istatistiksel yöntemle incelenmesi
Investigation of the effect on surface roughness of the turning of processing hard material by statistical method
YASİN KAVAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiDüzce Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞENOL MERT