Développement et implantation d’un modèle de diode par VHDL-AMS : Discrétisation selon la méthode Scharfetter-Gummel

par Joseph Kesserwani

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Bruno Allard et de Youssef Zaatar.

Le président du jury était Wehbeh Farah.

Le jury était composé de Bruno Allard, Youssef Zaatar, Wehbeh Farah, Jean-Jacques Rousseau, Nadine Abboud, Hervé Morel, Jean Podleki, Doumit Zaouk.

Les rapporteurs étaient Wehbeh Farah, Jean-Jacques Rousseau.


  • Résumé

    La conception assistée par ordinateur (CAO) est largement utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs pour la conception et l’analyse des différents composants dont l’étude consiste à résoudre l'équation de dérive-diffusion et l’équation de Poisson. La caractéristique non linéaire de ces équations demande des solutions numériques interactives. Le schéma de Scharfetter-Gummel est utilisé classiquement pour discrétiser l'équation de dérive-diffusion non dégénérée (ou équation de Schockley) pour simuler les phénomènes de transport des particules «électrons et trous» dans un semi-conducteur. Initialement cette méthode a été appliquée à un domaine unidimensionnel. Par la suite, cette méthode a été étendue au problème bidimensionnel sur la base d'un maillage rectangulaire. L’objectif donc de cette thèse serait d’implanter un modèle de diode par VHDL-AMS basé sur la discrétisation selon la méthode Scharfetter-Gummel. Le langage VHDL-AMS (Hardware Description Language – Analog Mixed Signal) est un langage de description comportemental pour les circuits analogiques et mixtes. Inspiré de son équivalent pour les circuits logiques, le VHDL, VHDL-AMS serait donc une extension. Etant donné que le langage VHDL-AMS est de haut niveau, ceci nous permettra de modéliser le comportement de systèmes physiques, électriques, mécaniques ou autres. Parallèlement VHDL-AMS permet de créer des modules, appelés « entités ». Ceux-ci sont définis par leurs ports externes (qui sont une interface avec les autres architectures ou entités) et par des équations mathématiques. La possibilité d’utiliser directement des relations mathématiques lors de la description du modèle nous donne une grande souplesse d’utilisation. Comme tous les langages de description comportementale analogique, VHDL-AMS est initialement dédié à la modélisation de type « haut niveau », tel que la modélisation d’un système électronique complet. L’utilisation d’un tel langage afin de réaliser un modèle de diode, constitue donc une alternative de ce dernier. En raison du grand nombre de nœud il est nécessaire de générer le code VHDL-AMS à partir d'une interface de type java. Les résultats obtenus par cette méthode seront comparés avec d'autres obtenus par différents autres logiciels. Le modèle à concevoir aura comme objectif : - Correspondre aux spécifications initialement tracés par les concepteurs et ceci afin de leur permettre de mettre en évidence les différentes caractéristiques des modules. - Simuler facilement l'intégration et/ou l'adéquation du composant dans un système donné - être conçus de sorte qu'il soit utilisé dans des composants plus complexes.

  • Titre traduit

    Development and implementation of a diode model using VHDL-AMS : Discretization using the Scharfetter-Gummel Method


  • Résumé

    Computer-aided design (CAD) is widely used in the semiconductor industry for the design and analysis of individual components whose study is to solve the drift-diffusion equation and the Poisson equation. The nonlinear characteristic of these equations request interactive digital solutions. The diagram Scharfetter-Gummel is conventionally used to discretize the non-degenerate drift-diffusion equation (or equation Schockley) to simulate particle transport phenomena "electrons and holes" in a semiconductor. Initially this method was applied to a one-dimensional domain. Subsequently, this method was extended to the two-dimensional problem on the basis of a rectangular mesh. So the aim of this thesis is to implement a VHDL-AMS diode model based on the discretization using the Scharfetter-Gummel method. The VHDL-AMS (Hardware Description Language - Analog Mixed Signal) is a behavioral description language for analog and mixed circuits. Inspired by its equivalent for logic circuits, VHDL, VHDL-AMS would be an extension. Since the VHDL-AMS is high level, this will allow us to model the behavior of physical systems, electrical, mechanical or otherwise. Meanwhile VHDL-AMS can create modules, called "entities". These are defined by their external ports (which are an interface with other architectures or entities) and by mathematical equations. The ability to use mathematical relationships directly in the description of the model gives us great flexibility. Like all analog behavioral description languages, VHDL-AMS is initially dedicated to the modeling of the type "high level" as the modeling of complete electronic systems. The use of such a language in order to achieve a diode model thus constitutes an alternative to the latter. Due to the large number of node it is necessary to generate the VHDL-AMS code from a Matlab-based interface. The results obtained by this method will be compared with others from various softwares. The model design will aim: - Match the specifications originally drawn by designers and in order to allow them to highlight the different characteristics of the modules. - Easily Simulate integration and / or the component adequacy in a given system - Be designed so that it is used in more complex components. -Finally We plan to conduct experimental measures in order to verify the accuracy of our model.


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