Συντάχθηκε 28-07-2026 07:51
Τόπος:
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 03/08/2026 12:00
Λήξη: 03/08/2026 14:00
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών (Διδακτορικών) Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ
Νικολάου Μακρή
με θέμα
Συμπαγής Μοντελοποίηση JFETs και MESFETs Διπλής Πύλης Βασισμένη στη Θεωρία Φορτίων
Charge-Based Compact Modeling of Double Gate JFETs and MESFETs
Εξεταστική Επιτροπή
Καθηγητής Ματτίας Μπούχερ (επιβλέπων)
Καθηγητής Κωνσταντίνος Μπάλας
Dr. Jean-Michel Sallese, EPFL
Καθηγητής Κωνσταντίνος Γυφτάκης
Επίκουρος Καθηγητής Γεώργιος Πέππας
Δρ. Κωνσταντίνος Ζεκεντές, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ)
Δρ. Γεώργιος Κωνσταντινίδης, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ)
Περίληψη
Η ακριβής προσομοίωση κυκλωμάτων με τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής (JFET) απαιτεί ένα συμπαγές μοντέλο που περιγράφει, μέσα σε ένα ενιαίο και συνεπές πλαίσιο, την ηλεκτροστατική της διάταξης, το ρεύμα απαγωγού, τα φορτία των ακροδεκτών, τις ενδογενείς χωρητικότητες, τον θόρυβο και την εξάρτηση από τις παραμέτρους. Τα υφιστάμενα μοντέλα JFET χρησιμοποιούν συνήθως διαφορετικές εκφράσεις ανά περιοχή λειτουργίας ή εμπειρικές συναρτήσεις μετάβασης και δεν παρέχουν μια κοινή φυσική μεταβλητή που να συνδέει τη στατική και τη δυναμική λειτουργία, τον θόρυβο και τη λειτουργία σε επίπεδο κυκλώματος. Οι απαιτήσεις αυτές, σε συνδυασμό με την απουσία ενός ευρέως αποδεκτού βιομηχανικού προτύπου συμπαγούς μοντέλου JFET, αποτελούν το κίνητρο για την ανάπτυξη που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή.
Αναπτύσσεται ένα πλαίσιο συμπαγούς μοντελοποίησης, βασισμένο στη φυσική και στο φορτίο, για συμμετρικά και ασύμμετρα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής διπλής πύλης (DG JFET) και συναφείς δομές MESFET. Το κινητό φορτίο του καναλιού χρησιμοποιείται ως η κοινή φυσική μεταβλητή που συνδέει την ηλεκτροστατική του ημιαγωγού με το ρεύμα απαγωγού, τη διαγωγιμότητα, το φορτίο των ακροδεκτών, την ενδογενή διαχωρητική χωρητικότητα, τον θόρυβο, την εξαγωγή παραμέτρων και την προσομοίωση κυκλωμάτων. Ξεκινώντας από την ηλεκτροστατική προσέγγιση μακρού καναλιού, εξάγεται μια συνεχής σχέση φορτίου–τάσης, η οποία χρησιμοποιείται για τη διατύπωση του ρεύματος απαγωγού και των διαγωγιμοτήτων, λαμβάνοντας υπόψη την ολίσθηση και τη διάχυση. Η στατική διατύπωση επεκτείνεται στα φορτία των ακροδεκτών μέσω του επιμερισμού Ward–Dutton και οι ενδογενείς διαχωρητικές χωρητικότητες προκύπτουν από την παραγώγιση των φορτίων των ακροδεκτών. Το μοντέλο δεν απαιτεί πρόσθετες τροποποιήσεις για να παραμένει συνεχές σε μηδενική πόλωση απαγωγού, V_DS=0. Αναπτύσσεται ένα σχήμα κανονικοποίησης που ορίζει ένα σύνολο κανονικοποιημένων φυσικών μεγεθών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή νέων διατυπώσεων βασισμένων στο φορτίο και συναρμολογούνται στο Charge-based JFET Model (CJM). Το CJM υλοποιείται σε Verilog-A και επεκτείνεται ώστε να λαμβάνει υπόψη τον κορεσμό ταχύτητας, τη διαμόρφωση μήκους καναλιού, την υποβάθμιση της κινητικότητας, τις αντιστάσεις σειράς και τις παρασιτικές χωρητικότητες.
Το πλαίσιο επεκτείνεται περαιτέρω σε ασύμμετρα DG JFET τεσσάρων ακροδεκτών με ανεξάρτητα πολωμένες πύλες και διαφορετικές επαφές πύλης. Η αποσύνθεση σε δύο συζευγμένες ισοδύναμες συμμετρικές διατάξεις οδηγεί σε αναλυτικές εκφράσεις για την ηλεκτροστατική, το ρεύμα απαγωγού, τα φορτία των ακροδεκτών, τον πίνακα ενδογενών χωρητικοτήτων και την τάση κατωφλίου. Στο εξεταζόμενο εύρος πολώσεων, η προσέγγιση που χρησιμοποιείται σε αυτή τη διατύπωση παρουσιάζει μέγιστη κανονικοποιημένη απόκλιση <0.5% στο συνολικό κινητό φορτίο σε σχέση με την αριθμητική ηλεκτροστατική λύση.
Οι διατυπώσεις του μοντέλου υλοποιούνται σε Verilog-A και επικυρώνονται μέσω σύγκρισης με προσομοιώσεις TCAD, μετρήσεις διατάξεων και πειράματα σε επίπεδο κυκλώματος, τα οποία καλύπτουν συμμετρικές και ασύμμετρες διατάξεις, τεχνολογίες πυριτίου, SiC και GaN, καθώς και θερμοκρασίες έως 500 ^∘ C. Ένας ενισχυτής κοινής πηγής σχεδιάζεται και κατασκευάζεται εσωτερικά και η μετρούμενη απόκρισή του σε εναλλασσόμενο σήμα συγκρίνεται με προσομοίωση που χρησιμοποιεί το CJM σε Verilog-A. Η προσομοίωση αναπαράγει το μετρούμενο κέρδος στη μεσαία περιοχή συχνοτήτων και τη μετρούμενη απόκριση συχνότητας.
Αναπτύσσονται επίσης διατυπώσεις θερμικού θορύβου και θορύβου χαμηλής συχνότητας βασισμένες στο φορτίο, οι οποίες αξιολογούνται έναντι προσομοιώσεων TCAD και μετρήσεων διατάξεων. Μια ειδική διάταξη μέτρησης χαμηλού θορύβου σχεδιάζεται και υλοποιείται εσωτερικά για τον χαρακτηρισμό εμπορικών JFET. Τα μετρούμενα χαρακτηριστικά θορύβου χαμηλής συχνότητας ως προς την πόλωση ενός εμπορικού JFET αναπαράγονται με τη χρήση της διατύπωσης διακυμάνσεων κινητικότητας που βασίζεται στο φορτίο. Αναπτύσσεται επίσης μεθοδολογία εξαγωγής παραμέτρων βασισμένη στο φορτίο για την εξαγωγή της ενεργού κινητικότητας, της αντίστασης σειράς και της τάσης κατωφλίου.
Οι κύριες καινοτόμες συνεισφορές περιλαμβάνουν: (i) μια συνεχή διατύπωση φορτίου–τάσης και ρεύματος απαγωγού, η οποία ενσωματώνει την ολίσθηση και τη διάχυση χωρίς παρεμβολή μεταξύ περιοχών λειτουργίας· (ii) εκφράσεις φορτίου ακροδεκτών και ενδογενών χωρητικοτήτων που παραμένουν συνεχείς στο V_DS=0· (iii) ένα σχήμα κανονικοποίησης και τις προκύπτουσες διατυπώσεις βασισμένες στο φορτίο που συναρμολογούνται στο CJM· (iv) μια διατύπωση ασύμμετρου DG JFET τεσσάρων ακροδεκτών που διατηρεί τη διατήρηση φορτίου και λαμβάνει υπόψη ανεξάρτητες πολώσεις πύλης και διαφορετικές επαφές πύλης, μαζί με μια ρητή έκφραση της τάσης κατωφλίου· (v) ένα διαδικτυακό εργαλείο προσομοίωσης που χρησιμοποιεί το πλαίσιο μοντελοποίησης βασισμένο στο φορτίο· και (vi) διατυπώσεις θερμικού θορύβου, θορύβου χαμηλής συχνότητας και εξαγωγής παραμέτρων.
Συνολικά, η εργασία διαμορφώνει ένα ενιαίο πλαίσιο που συνδέει την ηλεκτροστατική και τη μεταφορά φορέων στον ημιαγωγό με την υλοποίηση συμπαγών μοντέλων και την προσομοίωση κυκλωμάτων. Η προσέγγιση που βασίζεται στο φορτίο παρέχει κοινή βάση για τη μοντελοποίηση, τον χαρακτηρισμό και την αξιοποίηση συμμετρικών και ασύμμετρων τεχνολογιών JFET σε κυκλωματικές εφαρμογές. Η έρευνα οδήγησε σε τέσσερα άρθρα σε επιστημονικά περιοδικά και τρεις εργασίες σε συνέδρια. Παράλληλα, αναπτύχθηκε το διαδικτυακό εργαλείο JFETlab και διατέθηκε μέσω της πλατφόρμας nanoHUB, ώστε το πλαίσιο μοντελοποίησης να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε προσομοιώσεις επιπέδου διάταξης. Μία από τις συνεδριακές εργασίες τιμήθηκε με το Βραβείο Καλύτερης Εργασίας στο ESSDERC 2018.
Λέξεις-κλειδιά: συμπαγής μοντελοποίηση· προσομοίωση κυκλωμάτων· JFET διπλής πύλης· MESFET· μοντελοποίηση βασισμένη στο φορτίο · φορτίο και χωρητικότητα ακροδεκτών· ασύμμετρο JFET· μοντελοποίηση θορύβου· εξαγωγή παραμέτρων· Verilog-A
Abstract
Accurate circuit simulation of junction field-effect transistors (JFETs) requires a compact model that describes the device electrostatics, drain current, terminal charges, intrinsic capacitances, noise, and parameter dependence within a single consistent framework. Existing JFET models commonly employ separate regional expressions or empirical transitions and do not provide a common physical variable linking static, dynamic, noise, and circuit-level operation. These requirements, together with the absence of a widely adopted industry-standard JFET compact model, motivate the development presented in this thesis.
A physics-based, charge-based compact-modeling framework is developed for symmetric and asymmetric double-gate Junction Field-Effect Transistors (DG JFETs) and related MESFET structures. Mobile channel charge is used as the common physical variable linking the semiconductor electrostatics to drain current, transconductance, terminal charge, intrinsic trans-capacitance, noise, parameter extraction, and circuit simulation. Starting from the long-channel electrostatics, a continuous charge–voltage relation is derived and used to formulate the drain current and transconductances while accounting for drift and diffusion. The static formulation is extended to the terminal charges through Ward–Dutton partitioning, and the intrinsic trans-capacitances are obtained by differentiating the terminal charges. The model requires no additional modifications to remain continuous at zero drain bias, V_DS=0. A normalization scheme is developed to define a set of normalized physical quantities used to derive new charge-based formulations, which are assembled into the Charge-based JFET Model (CJM). The CJM is implemented in Verilog-A and extended to account for velocity saturation, channel-length modulation, mobility degradation, series resistance, and parasitic capacitances.
The framework is further extended to asymmetric four-terminal DG JFETs with independently biased gates and dissimilar gate contacts. Decomposition into two coupled equivalent symmetric devices yields analytical expressions for the electrostatics, drain current, terminal charges, intrinsic-capacitance matrix, and threshold voltage. Over the investigated bias range, the approximation used in this formulation produces a maximum normalized discrepancy of <0.5% in the total mobile charge relative to the numerical electrostatic solution.
The model formulations are implemented in Verilog-A and validated against TCAD simulations, device measurements, and circuit-level experiments covering symmetric and asymmetric devices, silicon, SiC, and GaN technologies, and temperatures up to 500 ^∘ C. A common-source amplifier is designed and fabricated in-house, and its measured AC response is compared with simulation using the Verilog-A CJM. The simulation captures the measured midband gain and reproduces the measured frequency response.
Charge-based thermal- and low-frequency noise formulations are also developed and evaluated against TCAD simulations and device measurements. A dedicated low-noise measurement setup is designed and implemented in-house to characterize commercial JFETs. The measured bias-dependent low-frequency-noise characteristics of a commercial JFET are reproduced using the charge-based mobility-fluctuation formulation. Charge-based extraction methodology is also developed for extracting effective mobility, series resistance, and threshold voltage.
The principal novel contributions comprise: (i) a continuous charge-voltage and drain-current formulation incorporating drift and diffusion without region-dependent interpolation; (ii) terminal-charge and intrinsic-capacitance expressions that remain continuous at V_DS=0; (iii) a normalization scheme and the resulting charge-based formulations assembled into the CJM; (iv) a charge-conserving four-terminal asymmetric DG JFET formulation accounting for independent gate biases and dissimilar gate contacts, together with an explicit threshold-voltage expression; (v) an online simulation tool employing the charge-based modeling framework; and (vi) thermal-noise, low-frequency-noise, and parameter-extraction formulations.
The resulting framework establishes a consistent path from semiconductor electrostatics and carrier transport to compact-model implementation and circuit-level simulation. By using this charge-based modeling approach, the work provides a unified basis for the modeling, characterization, and circuit application of symmetric and asymmetric JFET technologies. This work resulted in four journal articles and three conference papers. An online tool, JFETlab, was also developed and published on the nanoHUB platform, enabling users to apply the modeling framework to device-level simulations. One of the conference papers received the Best Paper Award at ESSDERC 2018.
Keywords: compact modeling; circuit simulation; double-gate JFET; MESFET; charge-based modeling; terminal charge and capacitance; asymmetric JFET; noise modeling; parameter extraction; Verilog-A
Meeting ID: 999 9019 1441
Passcode: 963844
