Compact modeling of FDSOI transistors at cryogenic temperatures

Modélisation compacte des transistors FDSOI a des températures cryogéniques Des modèles compacts décrivant le fonctionnement des dispositifs MOS à des températures cryogéniques sont cruciaux pour la conception de circuits fiables et optimisés. De nos jours, les kits de conception de processus manquent de modèles pour tous les appareils à des températures cryogéniques profondes, qu'il s'agisse d'un MOSFET, d'un qubit ou d'un appareil passif. La tâche de construire des modèles compacts pour le fonctionnement cryogénique doit être abordée de toute urgence, principalement parce que les simulations de circuits actuelles ne fonctionnent pas comme prévu jusqu'aux températures cryogéniques. Par conséquent, des simulations excessives sont nécessaires pour tenir compte des changements de différents paramètres.Il existe deux approches pour faire face à cette tâche, la première consiste à prendre des modèles compacts standard existants, qui sont à l'origine construits pour un fonctionnement à température ambiante et à essayer de les adapter au fonctionnement à température cryogénique grâce à des formules empiriques. Il convient de noter que pour cette approche, les performances des circuits ne sont pas garanties et qu'ils sont conçus avec un degré d'incertitude non négligeable. La deuxième approche, qui est une approche de recherche et celle que nous avons choisie dans le cadre de cette thèse, consiste à construire des modèles compacts entièrement basés sur la physique et dédiés au fonctionnement des dispositifs cryogéniques. Par rapport à la première approche, cette approche devrait être moins risquée et la sortie au niveau de la conception est beaucoup plus appropriée et précise.Les modèles compacts standard actuels peuvent être réduits à une température d'azote liquide de 77 K, mais à une température d'hélium liquide de 4,2 K et moins, certaines discontinuités commencent à apparaître dans la région d'inversion modérée. De plus, aucun des travaux publiés sur l'opération cryogénique FDSOI ne démontre de manière approfondie les caractéristiques électrostatiques des transistors, c'est-à-dire les potentiels électrostatiques de surface pour les deux interfaces, et les courbes C - V. De même, les statistiques de Fermi-Dirac doivent être considérées dans la partie transport dans la dérivation du courant de drain et pas seulement dans la partie électrostatique. De plus, la plupart des travaux publiés maintiennent les lois de mobilité RT et les adaptent au comportement cryogénique en modifiant/ajoutant des paramètres d'ajustement ou en considérant une mobilité constante dans le régime linéaire, mais aucun n'envisage d'introduire une loi de mobilité propre dédiée aux MOSFET fonctionnant à des températures cryogéniques.Par ailleurs, les simulations numériques sont une étape importante qui doit précéder le développement d'un modèle analytique et qui servira de base solide pour la validation de ses résultats/approximations. Aucune simulation numérique n'a été réalisée dans de telles conditions, que ce soit la simulation de l'électrostatique à l'équilibre, ou le transport électronique hors d'équilibre. L'utilisation de telles simulations est très importante et nécessaire pour le développement de modèles compacts. Dans le cadre de ce travail, des simulations de Poisson-Schrödinger de la structure FDSOI à des températures cryogéniques et tenant compte des statistiques de Fermi-Dirac ont été organisées pour exploiter et comprendre l'électrostatique du dispositif principalement, puis les simulations ont eu lieu avec l'introduction d'un quasi-Fermi terme de niveau pour analyser l'aspect transport de l'appareil.La portée de cette thèse est donc d'exploiter la physique du dispositif des transistors FDSOI jusqu'à des températures cryogéniques profondes et de développer un modèle compact de cœur approprié. Un tel travail constituerait la base d'un modèle compact adapté aux simulations Spice.