Lehrstuhl für Bauelemente der Elektrotechnik
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
Item Zuverlässigkeit von sub-µm-CMOS-Schaltungen bei Bias-Temperature-Stress (BTS)(2007-03-21T13:18:28Z) Schlünder, Christian; Goser, Karl; Oehm, JürgenItem Mesoscopic phenomena in nanometer scale MOS devices(Universität Dortmund, 1999-08-31) Wirth, Gilson InácioThe key point in the success of the semiconductor industry is its ability to continuously provide electronic products with decreasing cost per function as well as, at the same time, increasing performance. This is a result of a steady reduction in the feature size combined with a steady rise in density. In this framework, MOSFETs are being aggressively scaled down to dimensions well below 100 nm. However, at a given device dimension, the scaling of the physical processes breaks down and new phenomena that are absent in larger structures can dominate device behavior. The SIA roadmap (1) predicts a minimum feature size of 35 nm and 10 8 transistors per cm 2 for the commercial CMOS technology around 2012. It is now quite obvious that the behavior of the devices that will build up the circuits produced with this technology will significantly deviate from the behavior of their counterparts of greater dimensions. Subsequently, if devices are not properly characterized and modeled, this can turn out to be a barrier for further development in the semiconductor industry. The main scope of this work is to help and speed up the proper characterization and modeling of sub-100 nm MOSFETs. The term mesoscopic phenomena, the main subject of this work, has been introduced to describe the characteristics of systems that are neither microscopic (one or few atoms) nor macroscopic. Meso is borrowed from the Greek, meaning middle. In such systems the wave nature of electron transport or the discrete charge nature of electrons may become relevant. In this thesis negative differential resistance and single electron switching events in the channel of bulk MOSFETs with channel lengths down to 30 nm are demonstrated. First, reproducible unexpected periodic transconductance oscillations in the I D xVG characteristics of nMOSFETs are presented. The oscillations, present from sub-threshold up to strong inversion, are reproducible from sample to sample and with temperature cycling. No dependency of the oscillation period on gate oxide thickness or channel length could be observed and the period of the oscillations does not change in magnetic fields up to 15 T. Various electric transport models for small size MOS systems are analyzed. For several reasons, Coulomb blockade seems to be a rather plausible explanation for the observed effects. This is the first time that such phenomena are reported for a conventional bulk MOS system, suggesting that the electrical behavior of ultra short channel devices may still be an open question. Second, another single electron switching phenomenon is studied. Namely, oxide traps are used as a probe into the local channel surface potential. Studying the bias point dependence of the random telegraph signal (RTS) it is possible to estimate the trap location along the channel. It is shown that the behavior of the RTS does depend upon the properties of the trap and channel electrons, making RTS analysis a valuable tool to study effects as coulomb scattering, electron gas heating and the mechanisms that inuence electrical channel formation in very small area devices. The investigations carried out in this work intend to contribute to the better understanding of the properties of ultra short MOS devices, a necessary issue to produce optimized and reliable systems, leading ultimately to better products. (1) The National Technology Road-Map for Semiconductors, SIA - Semiconductor Industry Association, San Jose, CA, 1997.Item Entwurf, Herstellung und Charakterisierung eines mikromechanischen Quecksilbersensors(Universität Dortmund, 2003-05-26) Schambach, Kwan; Schumacher, Klaus; Hilleringmann, U.In dieser Arbeit wird ein neuartiger Quecksilbersensor vorgestellt, mit dem die Quecksilberkonzentration in der Umgebungsluft gemessen werden kann. Das Meßverfahren dieses Sensors basiert auf der Adsorption von elementarem Quecksilberdampf auf dünnen Goldschichten. Bei der Begasung der Goldschicht mit Quecksilberdampf bildet sich an der Goldoberfläche Goldamalgam. Dieser Vorgang hat eine Widerstandsänderung der Goldschicht zur Folge. Der Sensor ist in Silizium-Mikromechanik aufgebaut. Neu an dem Konzept ist nicht nur die Realisierung des eigentlichen Goldfilm-Sensors in Silizium-Mikromechanik, sondern auch die gleichzeitige Integration in Form einer Wheatstoneschen Meßbrücke. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Herstellung solcher Sensoren entwickelt. Die einzelnen Goldwiderstände haben mäanderförmige Strukturen. Die Schichtdicke beträgt 40 nm. Durch eine auf dem Sensorchip integrierte Heizung wird die Goldschicht auf mehr als 150° C erhitzt, wodurch die Metallverbindungen im Gold aufgebrochen und die Quecksilberatome aus der Goldschicht entfernt werden. Bei der Begasung des Sensors mit Quecksilberdampf führt der physikalisch-chemische Vorgang in der Goldschicht zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes. Diese Widerstandsänderung hat eine Änderung in der Brückendiagonalspannung zur Folge, die mit einem für den Sensor konzipierten Vorverstärker ausgewertet wird. Die Höhe der Widerstandsänderung des Goldes und die Geschwindigkeit, mit der sich der elektrische Widerstand ändert, ist abhängig von der Quecksilberkonzentration in der Luft. Die Ergebnisse zeigen, daß der Quecksilbersensor in dieser Form für eine Messung von Quecksilber in der Umgebungsluft prinzipiell geeignet ist. Bei einer Quecksilberkonzentration um den MAK-Wert zeigt der Sensor reproduzierbare Meßeffekte. Die extrem dünne Struktur der Goldschicht verhindert einen eventuellen Memoryeffekt bei den mehrfachen Meß- und Regenerierungsvorgängen. Es fällt auf, daß der Sensor recht schnell auf eine Konzentrationsänderung von Quecksilber in der Umgebungsluft anspricht. In der Praxis ist es nicht notwendig, daß eine Messung bis zur Sättigung des Sensors durchgeführt wird. Dadurch sind keine lange Regenerierungsphasen erforderlich. Für die Auswertung wird ein Verfahren vorgeschlagen, in dem die Meßsignale über kurze Zeitintervalle integriert werden. Zur Auswertung des Sensorsignals ist eine Mikrocontrollerschaltung konzipiert und programmiert worden. Aufgrund des geringen Stromverbrauches und des kompakten Aufbaus der integrierten Komponenten lässt sich der Sensor auch in ein batteriebetriebenes Messgerät für die mobile Schnellanalytik einsetzen. Einsatzgebiete sind vor allem bei Luftanalysen im Recyclingprozeß, in der Lampenproduktion, sowie bei der Überwachung der Belastungen in Zahnarztpraxen/Amalgamforschung. Ein Einsatz zur Messung der Quecksilberbelastung in Erdgas ist ebenfalls denkbar.Item Resonanz-Tunneldioden und Heterobipolartransistoren in dynamischen Digitalschaltungen hoher Funktionsdichte(Universität Dortmund, 2002-07-18) Glösekötter, Peter; Goser, Karl; Rojas, I.Auf der Grundlage des Resonanz-Tunnel-Heterostruktur-Bipolar-Transistors (RTBT) werden dynamische Digitalschaltungen undArchitekturen vorgestellt, die sich durch eine hohe Funktionsdichte auszeichnen. Ausgehend von einer Analyse der elektrischen Eigenschaften stromgesteuerter Bauelemente (HBT, RTD) wird deren monolithische Verschmelzung zum dreipoligen RTBT dargelegt und anhand von bestehenden Schaltungstechniken analysiert. Durch die Erweiterung des Monostabil-Bistabilen- Logikelement (MOBILE) Konzepts durch den RTBT wird erstmalig ein dynamisches, stromgesteuertes Schaltungskonzept für Quantenbauelemente demonstriert, das die wesentlichen Anforderungen an eine robuste Logikfamilie erfüllt. Die Arbeit zeigt, dass das RTBT-MOBILE bereits die nötige schaltungstechnische Reife für den Einsatz in digitalen Schaltungen wie z.B. linearen Schwellwertgattern, die eine deutliche Reduzierung der logischen Tiefe und der Schaltungskomplexität ermöglichen, besitzt. Im Vergleich zu anderen III-V-Logikfamilien weist die RTBT-MOBILE Logik vergleichbare Schaltzeiten bei geringerer Bauelementanzahl und Verlustleistung auf. Die jüngsten, auf Siliziumhalbleitermaterial basierenden Erfolge von Interband- und Resonanz-Tunnelbauelementen zeigen ein vorhandenes Potential zur Schaltungsfertigung. Damit können die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Schaltungskonzepte und Designstrategien in die Siliziumtechnologie überführt werden.Item Design und Analyse integrierter Schaltungen mit evolutionären Algorithmen(Universität Dortmund, 2001-10-04) Thomas, Marc; Goser, Karl; Rückert, U.Die Untersuchung neuartiger Schaltungstechniken und Bauelemente erfordert die Erarbeitung spezifischen Systemwissens zur Bestimmung eines geeigneten Entwurfes für integrierte Schaltungen. Zur Unterstützung dieses Prozesses wird in dieser Arbeit der Ansatz eines automatisierten Schaltungsdesigns mit Hilfe evolutionärer Algorithmen vorgestellt und am Beispiel einfacher Grundschaltungen umgesetzt. Die weitergehende Verwendung evolutionärer Algorithmen zur Vektoroptimierung erlaubt die Analyse integrierter Schaltungen durch Identifikation von Parameterabhängigkeiten der Schaltung.