Компьютерное моделирование вертикальной наноструктуры КМОП-инвертора со структурной формулой на рисунке 11. 8, а

Среди огромного количества (4⁹) структур КМОП-инверторов (N = 9) стоит особо выделить структуру не с горизонтальным, а с вертикальным строением МОП-транзисторов [134, 135]. Воспользуемся так же, как и в предыдущей структуре, не полупроводниковой, а изолирующей подложкой (Ох₉ на рис. 11.8).

Рис. 11.8. Вертикальная 3D наноструктура КМОП-инвертора: а) модель, б, в) структура.

• 11.4. Компьютерное моделирование вертикальной наноструктуры
• 33

Структурная формула такого варианта представлена на рисунке 11.8, а. 3D Структура вертикального КМОП-инвертора с диэлектрической (окисной) изоляцией показана на рисунке 11.8, б.

Система обозначений контактов следующая: входной контакт (вх — in), выходной контакт (вых — out), шина нулевого потенциала (1 — Gnd), Au — золотой наноразмерный проводник для подачи потенциала в полупроводниковые области.

Для одновременного подключения областей п_х и р₂ к шине «земля» (Gnd) введена проводящая область (наноразмерный проводник) Аи₈, а для одновременного подключения областей п_ь и р₆ к шине «питания» (Е) введена проводящая область (нанопроводник) Аи₇ (рис. 11.8, б).

Возможен второй вариант. Можно упростить технологию, сделав эти проводники (Аи₇ и Au₈) вертикальными, по бокам центрального изолирующего столба. Однако тогда придется добавить изолирующие области для п₃ и р₄. Изменится расположение контактных площадок Gnd и Е, а также топология соединения out.

Рис. 11.9. Результаты 2D компьютерного моделирования следующих параметров наноструктуры КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, а: а) заряд в первой входной области (р₂). б) общий ток в цепи питания (?),.

• в) общий ток в шине «земля» (Gnd), г) общий выходной ток, д) общий входной ток,
• е) передаточная характеристика

На рисунке 11.8, в изображена расчетная сетка наноструктуры вертикального КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, а. Компьютерное моделирование наноструктуры КМОП-инвертора с этой структурной формулой проводилось со следующими ограничениями: минимальный топологический размер составлял 20 нм, толщина подзатворного окисла — 4 нм. Наноструктура выполняет инвертирующую функцию при определенной системе набора значений параметров (рис. 11.9, е).

На рисунке 11.9 показаны результаты 2D компьютерного моделирования следующих статических параметров наноструктуры КМОП-инвертора с рассматриваемой структурной формулой в зависимости от входного напряжения: а) заряд в первой входной области (р₂), б) общий ток в цепи питания (?), в) общий ток в шине «земля» (Gnd), г) общий выходной ток, д) общий входной ток, е) передаточная характеристика.

На рисунке 11.10 приведены результаты моделирования динамики для 3D наноструктуры того же КМОП-инвертора: а) общий ток в первой входной области (р₂), б) общий ток в шине «земля» (Gnd), в) общий выходной ток, г) общий ток в цепи питания (?), д) заряд в области под контактом питания, е) заряд в первой входной области (р₂), ж) заряд в выходной области, з) входная последовательность импульсов, выходное напряжение (от времени).

На рисунке 11.11 представлены результаты компьютерного моделирования переходных характеристик вертикального КМОП-инвертора со структурной формулой, изображенной на рисунке 11.8, а.

На цветных вкладках (рис. 11.12−11.15) представлены результаты моделирования для 3D наноструктуры КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, а, следующих физических характеристик:

• • рисунок 11.12 — плотность дырок;
• • рисунок 11.13 — подвижность дырок;
• • рисунок 11.14 — пространственный заряд;
• • рисунок 11.15 — электростатический потенциал.

Верхние рисунки соответствуют режиму, когда на выходе напряжение логического нуля, нижние рисунки — режиму, когда на выходе напряжение логической единицы.

Определение задержки вертикального КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, а. На рисунке 11.11 представлены графики входного (1) и выходного (2) напряжений данного вертикального КМОП-инвертора. Определим задержку наноструктуры по уровню «0,5».

Рис. 11.10. Результаты моделирования динамики для 3D наноструктуры КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, а: а) общий ток в первой входной области (р₂), б) общий ток в шине «земля» (Gnd), в) общий выходной ток, г) общий ток в цепи питания (?), д) заряд в области под контактом питания, е) заряд в первой входной области (р₂), ж) заряд в выходной области, з) входная последовательность импульсов, выходное напряжение (от времени).

Рис. 11.11. Переходные характеристики вертикального КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, а

В результате моделирования были получены следующие значения координат точек пересечения фронтов входного и выходного напряжений с серединой логического уровня выходного сигнала.

Координаты характерных точек:

й (с);

«₂ = 1,85 512? 10» (с);

• 10 <3 = 0,85 472 Ю~^(с);
• ⁴ <_{= 1,21 935 Ю^-10 ©.}

_{Задержки фронтов по уровню «0,5» составляют:}

• ₁₀ <^{= <₂ — -12 (с);}
• ⁰¹= <^{U — <₃ = 0,56 463 Ю-10 = 56,463 10 12 ©.}

Тогда задержку работы наноструктуры можно определить по формуле:

т = «¹⁰ + <�°‘)/2 = (3,8609 10» + 56,463 10″)/2 = 60,3239 10″ ©, то есть около 60 пс.

Рис. 11.12. Результаты компьютерного моделирования плотности дырок в 3D наноструктуре КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, для двух выходных режимов

Рис. 11.13. Результаты компьютерного моделирования подвижности дырок в 3D наноструктуре КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, для двух выходных режимов

Рис. 11.14. Результаты компьютерного моделирования пространственного заряда в 3D наноструктуре КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, для двух выходных режимов

Рис. 11.15. Результаты компьютерного моделирования электростатического потенциала в 3D наноструктуре КМОП-инвертора со структурной формулой, представленной на рисунке 11.8, для двух выходных режимов