음의 정전용량 전계효과 트랜지스터 기반 인버터 회로의 과도 응답 분석
Transient Response of Negative Capacitance Field-Effect Transistor-based Inverter
- 주제(키워드) NCFET , CMOS inverter , transient response
- 주제(DDC) 621.381
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 오일권
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032747
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문에서는 technology computer-aided design (TCAD) 시뮬레이션을 활용하여 강유전체의 동적(dynamic) 특성이 음의 정전용량 전계효과 트랜지스터(negative capacitance field-effect transistor: NCFET) 기반 인버터 회로의 과도 응답(transient response)에 미치는 영향을 분석하였다. 반도체 집적 회로(integrated circuit)의 전력 소모 문제가 점차 중요해지는 가운데, NCFET 기반 회로는 낮은 구동전압(VDD)에서 우수한 on/off 스위칭이 가능하다는 점에서 많은 각광을 받고 있다. 이는 NCFET이 강유전체의 NC 특성을 활용해 상온에서 60 mV/decade 이하의 문턱전압 이하 기울기의 역수(subthreshold swing: SS)를 가질 수 있기 때문이다. 하지만, 강유전체는 인가 전압에 대한 응답 시간(response time)이 있어, 특정 속도 이상에서는 NC 특성을 구현할 수 없는 dynamic 특성을 가진다. 뿐만 아니라, 현재 가장 많이 활용되는 하프늄 옥사이드(hafnium oxide: HfO2) 계열의 강유전체는 ns 이상의 속도에서 NC 특성을 구현할 수 없다는 내용이 발표되었다. 이러한 특성에도 불구하고, 대부분의 NCFET-기반 회로 연구는 강유전체의 정적(static) 특성을 기반으로 진행되었다. 따라서 본 연구에서는 강유전체의 dynamic 특성을 모델링한 내부 저항(internal resistivity: ρ) 파라미터에 변화를 주면서 NCFET 기반 인버터의 transient response를 분석하였다. 연구 결과, ρ가 증가하여 강유전체의 응답 속도가 느려짐에 따라 NCFET 기반 인버터의 transient response의 지연 시간(delay time)이 증가하였다. 이는 transient response 과정에서 강유전체의 분극 반전(polarization switching)이 점차 느려져 NC 특성이 열화되기 때문이다. 본 연구를 통해, NCFET 기반 회로의 고속 동작의 한계와 강유전체의 dynamic 특성 개선의 중요성을 보여주고자 한다.
more초록/요약
In this paper, the transient response of negative capacitance field-effect transistor (NCFET)-based inverter has been analyzed by utilizing the technology computer-aided design (TCAD) simulation. Recently, there have been many studies about NCFET-based circuits for future low-power circuits since it is possible to have superior energy efficiency at low supply voltage (VDD) due to NCcharacteristic of ferroelectric (FE) layer. However, a recent study has presented that as the operation speed increases, the electrical characteristic of NCFET becomes degraded since the FE layer has the response time to applied voltage.Despite the FE’s dynamic characteristic, most of studies about NCFET-based circuits have implemented with FE’s static model. However, according to some research, HfO2-based FE materials cannot show the NC characteristic at operation speed of 1 ns due to dynamic characteristics. That is, if the NCFET-based circuits utilize the HfO2-based FE layer, it is inevitable that the switching performance is affected by the FE’s dynamic characteristic. Therefore, this study has examined the effect of FE’s dynamic characteristic on the transient response of NCFETbased inverter to confirm the limit of high-speed operation and the importance of study about the solution to the degradation by FE’s dynamic characteristics.
more목차
제1장 서론 1
제1절 MOSFET의 소형화 한계 1
제2절 NCFET의 등장 배경 및 동작 원리 4
제3절 NCFET 소자 및 기반 회로의 고속 동작 한계 9
제2장 시뮬레이션 구조 및 모델 14
제1절 NCFET 소자와 기반 회로 구조 14
제2절 시뮬레이션 모델 18
제3절 인버터의 입력 전압 파형 24
제3장 NCFET 기반 인버터의 과도 응답 분석 27
제1절 1차 과도 응답 분석 27
제2절 2차 과도 응답 분석 37
제4장 결론 50
참고문헌 51
