El modelado de dispositivos semiconductores crea modelos para el comportamiento de los dispositivos eléctricos basados en la física fundamental, como los perfiles de dopaje de los dispositivos. También puede incluir la creación de modelos compactos (como los conocidos modelos de transistores SPICE ), que intentan capturar el comportamiento eléctrico de dichos dispositivos pero generalmente no los derivan de la física subyacente. Normalmente se parte de la salida de una simulación de proceso de semiconductores .
La figura de la derecha proporciona una visión conceptual simplificada del “panorama general”. Esta figura muestra dos etapas del inversor y el gráfico de tiempo-voltaje de entrada-salida resultante del circuito. Desde el punto de vista de los sistemas digitales, los parámetros clave de interés son: retardos de temporización, potencia de conmutación, corriente de fuga y acoplamiento cruzado ( diafonía ) con otros bloques. Los niveles de voltaje y la velocidad de transición también son motivo de preocupación.
La figura también muestra esquemáticamente la importancia de I encendido versus I apagado , que a su vez está relacionado con la corriente de accionamiento (y la movilidad) para el dispositivo "encendido" y varias rutas de fuga para los dispositivos "apagados". No se muestran explícitamente en la figura las capacitancias (tanto intrínsecas como parásitas) que afectan el rendimiento dinámico.
El escalamiento de potencia que ahora es una fuerza impulsora importante en la industria se refleja en la ecuación simplificada que se muestra en la figura: los parámetros críticos son la capacitancia, el suministro de energía y la frecuencia de sincronización. Los parámetros clave que relacionan el comportamiento del dispositivo con el rendimiento del sistema incluyen el voltaje umbral , la corriente de conducción y las características subumbral.
Es la confluencia de los problemas de rendimiento del sistema con la tecnología subyacente y las variables de diseño del dispositivo lo que da como resultado las leyes de escalamiento en curso que ahora codificamos como ley de Moore .
La física y el modelado de dispositivos en circuitos integrados están dominados por el modelado de transistores bipolares y MOS. Sin embargo, otros dispositivos son importantes, como los dispositivos de memoria, que tienen requisitos de modelado bastante diferentes. Por supuesto, también hay cuestiones de ingeniería de confiabilidad (por ejemplo, circuitos y dispositivos de protección contra descargas electrostáticas (ESD)) donde los sustratos y los dispositivos parásitos son de fundamental importancia. Estos efectos y modelados no son considerados por la mayoría de los programas de modelado de dispositivos; Se remite al lector interesado a varias monografías excelentes en el área de ESD y modelado de E/S. [1] [2] [3]
El modelado de dispositivos impulsado por la física pretende ser preciso, pero no es lo suficientemente rápido para herramientas de nivel superior, incluidos simuladores de circuitos como SPICE . Por lo tanto, los simuladores de circuitos normalmente utilizan modelos más empíricos (a menudo llamados modelos compactos) que no modelan directamente la física subyacente. Por ejemplo, el modelado de movilidad de capa de inversión , o el modelado de movilidad y su dependencia de parámetros físicos, condiciones ambientales y operativas, es un tema importante tanto para los modelos físicos TCAD (tecnología de diseño asistido por computadora) como para los modelos compactos a nivel de circuito. Sin embargo, no se modela con precisión a partir de primeros principios, por lo que se recurre al ajuste de datos experimentales. Para el modelado de movilidad a nivel físico, las variables eléctricas son los diversos mecanismos de dispersión, las densidades de portadoras y los potenciales y campos locales, incluidas sus dependencias tecnológicas y ambientales.
Por el contrario, a nivel de circuito, los modelos parametrizan los efectos en términos de voltajes terminales y parámetros de dispersión empíricos. Las dos representaciones se pueden comparar, pero en muchos casos no está claro cómo interpretar los datos experimentales en términos de un comportamiento más microscópico.
La evolución de la tecnología de diseño asistido por computadora (TCAD), la combinación sinérgica de herramientas de modelado y simulación de procesos, dispositivos y circuitos, tiene sus raíces en la tecnología bipolar , que comenzó a fines de la década de 1960, y los desafíos de las uniones aisladas, dobles y Transistores de triple difusión . Estos dispositivos y tecnología fueron la base de los primeros circuitos integrados; no obstante, muchos de los problemas de escala y los efectos físicos subyacentes son parte integral del diseño de circuitos integrados , incluso después de cuatro décadas de desarrollo de circuitos integrados. Con estas primeras generaciones de circuitos integrados, la variabilidad del proceso y el rendimiento paramétrico eran un problema, un tema que resurgirá también como un factor de control en la futura tecnología de circuitos integrados.
Los problemas de control de procesos, tanto para los dispositivos intrínsecos como para todos los parásitos asociados, presentaron desafíos formidables y exigieron el desarrollo de una variedad de modelos físicos avanzados para la simulación de procesos y dispositivos. Desde finales de los años 1960 y hasta los años 1970, los enfoques de modelado explotados fueron predominantemente simuladores unidimensionales y bidimensionales. Si bien TCAD en estas primeras generaciones mostró una promesa emocionante para abordar los desafíos orientados a la física de la tecnología bipolar, la escalabilidad superior y el consumo de energía de la tecnología MOS revolucionaron la industria de los circuitos integrados. A mediados de la década de 1980, CMOS se convirtió en el motor dominante de la electrónica integrada. No obstante, estos primeros desarrollos de TCAD [4] [5] sentaron las bases para su crecimiento y amplio despliegue como un conjunto de herramientas esencial que ha aprovechado el desarrollo tecnológico a través de las eras VLSI y ULSI, que ahora son la corriente principal.
El desarrollo de circuitos integrados durante más de un cuarto de siglo ha estado dominado por la tecnología MOS. En las décadas de 1970 y 1980, se favoreció a NMOS debido a las ventajas de velocidad y área, junto con las limitaciones tecnológicas y las preocupaciones relacionadas con el aislamiento, los efectos parásitos y la complejidad del proceso. Durante esa era de LSI dominada por NMOS y el surgimiento de VLSI, las leyes de escala fundamentales de la tecnología MOS fueron codificadas y aplicadas ampliamente. [6] También fue durante este período que TCAD alcanzó la madurez en términos de realizar un modelado de procesos robusto (principalmente unidimensional) que luego se convirtió en una herramienta de diseño de tecnología integral, utilizada universalmente en toda la industria. [7] Al mismo tiempo, la simulación de dispositivos, predominantemente bidimensional debido a la naturaleza de los dispositivos MOS, se convirtió en el caballo de batalla de los tecnólogos en el diseño y escalado de dispositivos. [8] [9] La transición de la tecnología NMOS a CMOS resultó en la necesidad de simuladores totalmente 2D y estrechamente acoplados para simulaciones de procesos y dispositivos. Esta tercera generación de herramientas TCAD se volvió fundamental para abordar toda la complejidad de la tecnología CMOS de dos pozos (consulte la Figura 3a), incluidas cuestiones de reglas de diseño y efectos parásitos como el enganche . [10] [11] Se ofrece una perspectiva abreviada de este período, hasta mediados de la década de 1980; [12] y desde el punto de vista de cómo se utilizaron las herramientas TCAD en el proceso de diseño, ver. [13]