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I.4.1 L’historique des modèles compacts

Des modèles ont été développés afin de simuler aussi précisément et surtout rapidement

le comportement du transistor au travers de ces caractéristiques électriques. Ces modèles

se doivent de refléter le comportement du transistor dans toutes ces conditions de

fonc-tionnement. La modélisation du transistor a suivi deux voix parallèles. L’une privilégiant

le comportement physique du transistor et l’autre visant principalement à reproduire son

comportement pour un temps de calcul le plus rapide possible.

Les modèles physiques fournissent des caractéristiques précises du transistor car ils

sont basés sur une résolution numérique des équations du semiconducteur prenant en

compte des paramètres relatifs à la géométrie, à la nature des matériaux, etc., et cela

dans un espace à deux voire trois dimensions. L’utilisation de ce type de modèle nécessite

un temps et une puissance de calcul importants et n’est donc pas adapté aux simulations

de circuits intégrés. C’est pour cela qu’au début des années 70, les modèles compacts se

basant sur des expressions analytiques plus ou moins fondées sur la physique du

semicon-ducteur et sur un degré d’empirisme variable ont été développés (Figure I.14).

Au départ la puissance disponible de calcul était limitée et les modèles développés ont

dû être basé sur la tension de seuilV

T

. Dans ce cas, le potentiel de surface est simplement

représenté par une fonction dépendant de la tension appliquée. Il est considéré comme

constant au dessus du V

T

et linéaire en fonction deV

GS

en dessous du V

T

; des fonctions

de lissage sont utilisées pour relier ces régions. Malgré ces limitations, ce type de modèle

a été fortement utilisé au niveau industriel et surtout dans le design de circuit. BSIM4 et

MOS Model 9 sont des exemples de modèles basés sur la tension de seuil.

Pour palier ces limitations, des approches alternatives ont été mises en place avec les

modèles de charge ou les modèles à potentiel de surface. Concernant les modèles de charge,

le courant est calculé en fonction des charges de source et de drain, elles-mêmes calculées

à partir d’une approximation linéaire sur le potentiel de surface e.g. EKV, BSIM5. Dans

les modèles à potentiel de surface, celui-ci est directement utilisé pour calculer le courant

et les charges dans les différents terminaux e.g. SP, MOS Model 11, PSP. Malgré une base

similaire sur ces deux types de modèle, il existe de nombreuses différences qui motivent les

développeurs à adopter un modèle plus que l’autre [11]. Pour plus de détails concernant

les différents modèles, le lecteur pourra se reporter à la référence [12].

I.4. La modélisation des transistors MOS

Figure I.14 – Nombre de paramètres des modèles compacts en fonction de leur année

d’introduction [8].

I.4.2 PSP : modèle à potentiel de surface

I.4.2.a Le modèle intrinsèque

Il y a actuellement un consensus industriel désignant les modèles à potentiel de surface

comme ceux proposant la meilleure approche concernant la modélisation des transistors

MOS, notamment parce qu’ils permettent d’apporter des solutions concernant la prise

en compte des effets canaux courts. De plus, ils conviennent mieux pour des simulations

concernant des applications basse tension, analogique et RF. Le modèle PSP, développé

conjointement par NXP et l’Université de Pennsylvanie, est un des modèles à potentiel de

surface le plus avancé et a été utilisé dans le design de circuit pour des technologies allant

de 250nm à 32nm. Dans ce qui va suivre, sera brièvement présentée la partie intrinsèque

et extrinsèque du modèle quasi-statique PSP. Le développement du modèle à potentiel de

surface est basé sur la résolution de l’équation implicite du potentiel de surface (§I.2.2.a) :

V

GB

V

F B

ϕ

S

(x)

γ

!

2

=φ

T

·

(

exp −ϕ

S

φ

T

!

+ϕ

S

φ

T

−1

+ exp

"

(2ϕ

F

+V

c

)

φ

T

#

exp ϕ

S

φ

T

!

ϕ

S

φ

T

−1

!) (I.43)

Chapitre I. Principe de fonctionnement et modélisation du transistor MOS

du modèle à tension de seuil au modèle à potentiel de surface. Elle a été possible au moyen

d’un algorithme [13] recalculant de façon itérative le potentiel de surface pour tous les

couples (V

GD

, V

c

). Comme illustré par la Figure I.15, l’évaluation du potentiel de surface

permet d’obtenir les courants des différents terminaux par l’intermédiaire des équations

définies aux paragraphes I.2.2.b etI.2.3.

Figure I.15 – Comparaison entre le courant de drain simulé par le modèle PSP et les

mesures expérimentales réalisées sur un transistor n-MOS (W/L= 57.6/0.04µm).

I.4.2.b Le modèle extrinsèque

La modélisation des effets extrinsèques du transistor dans PSP est aussi basée sur le

potentiel de surface et cela dans le but d’obtenir un modèle le plus physique possible.

Seules la capacité de recouvrement et les résistances source/drain seront abordées. Le

lecteur pourra se référer à [12] pour plus de détails concernant la modélisation dans PSP

des autres aspects extrinsèques.

I.4.2.b.1 La capacité de recouvrement

Les charges induites au niveau de la zone de recouvrement source/drain sont modélisées

par l’expression suivante :

Q

ov

=CGOV·(V

GS

V

F Bov

ϕ

ov

) (I.44)

V

F Bov

≈ 0 et ϕ

ov

sont respectivement la tension de bande plate et le potentiel de

surface dans la zone de recouvrement. CGOV est un paramètre du modèle qui dépend de

l’épaisseur d’oxyde au niveau du canal (TOX) et de la zone de recouvrement (TOXOV).

CGOV =

ox

·W ·LOV

I.4. La modélisation des transistors MOS

avec LOV qui représente la longueur de la zone de recouvrement et W la largeur

effective du canal.

I.4.2.b.2 Les résistances parasites

Depuis la version de PSP103, il est possible d’inclure des résistances parasites dans le

modèle PSP. Concernant les résistances source/drain, le modèle permet de les simuler de

manière asymétrique telle que :

R

S

=NRS·RSH

Chapitre I. Principe de fonctionnement et modélisation du transistor MOS