Analytical modeling of silicon based resonant tunneling diode for RF oscillator application

par Emanuela Buccafurri

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Francis Calmon et de Alain Poncet.

Soutenue en 2010

à Lyon, INSA .

  • Titre traduit

    = Modélisation analytique et simulation de diode tunnel résonante sur silicium pour application oscillateur radiofréquence


  • Résumé

    La diminution incessante de la taille des composants semi-conducteurs permet d’envisager une rupture en associant ou remplaçant les composants conventionnels par des composants nanométriques avec un transport des charges de nature quantique ou balistique. La diode tunnel résonante (RTD) présente des caractéristiques très intéressantes et peut répondre à un grand nombre d’attentes: sa fréquence de coupure intrinsèque élevée doit permettre de travailler à de très hautes fréquences (possibilité d’atteindre la valeur théorique du THz), sa caractéristique atypique présente une Résistance Différentielle Négative (NDR) et permet d’envisager une diminution très importante en nombre de composants utilisés pour une fonction électronique donnée (électronique faible consommation). L’objectif de ce travail de thèse a été d’évaluer les performances théoriques de la RTD sur silicium avec des barrières d’oxyde de forte permittivité et de faible épaisseur (comme par exemple HfO2) et d’analyser son utilisation dans une application oscillateur radiofréquence. Pour atteindre cet objectif, les travaux ont concerné: la modélisation physique des dispositifs RTD, la validation du modèle analytique par comparaison à des simulations numériques, et enfin la simulation du comportement du dispositif et de son application: l’oscillateur radiofréquence. La partie sur l’étude temporelle de la structure a été approfondie et validée par des simulations temporelles basées sur les trajectoires de Bohm dans le cadre d’une collaboration avec l’Universidad Autonoma de Barcelona, dans l’équipe du Dr. Xavier Oriols. Par rapport aux travaux existant, notre modèle est suffisamment compact pour être introduit dans un simulateur circuit (formulation analytique) et considère des variables calculées su une base totalement physique sans aucun paramètre d’ajustement. L’originalité de ce projet repose sur une démarche globale, allant de la simulation physique du dispositif à la simulation de circuit pour une application ciblée (oscillateur), la principale retombée concerne le modèle analytique de RTD.


  • Résumé

    Since the introduction in microelectronics of the MOS transistor, the trend has been to reduce the size of each device, in order to increase density and performance, and to reduce costs. Devices nowadays are in a range of dimensions governs by Quantum Physics. At the nano scale, it may be smarter to integrate new devices operating according to the law of quantum physics rather than to classical Physics. In this context, resonant tunneling diodes (RTDs) present interesting characteristics. Its maximum operating frequency is in the Terahertz range and offers a wide range of applications, in analog (analog-digital converter ADC, frequency divider or multiplier, oscillator as well as digital (“multi-value” logic) circuits. Its I-V characteristics present an unusual negative differential resistance (NDR). Such negative differential resistance is usually achieved by a circuit involving more devices, and significant power consumption. Like most of the other tunnel devices, the first RTD was realized on III-V materials. Nevertheless, difficulty to integrate III-V materials on silicon, pushed to find silicon compatible solution for RTD. In this work, an alternative option to integrate these innovative devices in a silicon process, exploiting the vertical transport (gate to gate) in a double gate MOSFET has been considered. The aim of this work is thus to estimate by the means of an original analytical models, the theoretical expected performances of silicon based RTDs (static and dynamic behavior) and to compare them with conventional heterostructures. The high operating frequency of RTD is one of the major advantages of this device, for this reason an accurate frequency analysis has been carried out in collaboration with the Universidad Autonoma de Barcelona in the Xavier Oriols team. Finally, this model has been introduced in a circuit simulator (CADENCE), and used to estimate the performances of RF oscillators based on silicon RTD.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (163 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitre

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3677)
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