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HAL Id: jpa-00245704 https://hal.science/jpa-00245704 Submitted on 1 Jan 1987 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Modèle analytique du MESFET AsGa pour simulation de circuits logiques ultra-rapides Laurent Chusseau, P. Crozat, R. Adde To cite this version: Laurent Chusseau, P. Crozat, R. Adde. Modèle analytique du MESFET AsGa pour simulation de circuits logiques ultra-rapides. Revue de Physique Appliquée, 1987, 22 (11), pp.1515-1527. 10.1051/rphysap:0198700220110151500. jpa-00245704 1515 Modèle analytique du MESFET AsGa pour simulation de circuits logiques ultra-rapides L. Chusseau, P. Crozat et R. Adde Institut d’Electronique Fondamentale, Laboratoire associé au CNRS UA22, Bâtiment 220, Université Paris- Sud, 91405 Orsay Cedex, France (Reçu le 23 janvier 1987, révisé le 6 juillet 1987, accepté le 6 juillet 1987) Résumé. 2014 Un modèle de MESFET AsGa est développé pour la conception des circuits logiques picosecondes à moyenne et grande intégration. La formulation des paramètres du modèle est optimisée à la fois pour un bon comportement dynamique des portes logiques et pour une grande efficacité en temps de calcul. Ce modèle est implanté sur le macro-simulateur MACPRO qui a été conçu pour l’étude des effets de propagation et de couplage dans les circuits intégrés ultrarapides. Le modèle est présenté de façon exhaustive et il est comparé à des mesures statiques (caractéristiques I-V de transistors hyperfréquence) et dynamiques (comportement en paramètres S d’un MESFET hyperfréquence, oscillateur en anneau en technologie BFL). La dernière partie de l’article étudie l’influence des paramètres importants de ce modèle sur le régime transitoire des portes logiques BFL. Abstract. 2014 A model of the GaAs MESFET is developped for the design of picosecond circuits at the MSI or LSI level. The parameter description is optimized both for dynamic response and computer time efficiency. The model is implemented in the time simulator MACPRO designed for the analysis of propagation and coupling effects in very fast integrated circuits. The model is fully presented and validated against both experimental I-V curves and microwave S parameters measurements of a single MESFET, and analog dynamic response of a BFL ring oscillator. The influence of the main model parameters on the circuit dynamic response is discussed relatively to a BFL technology. Revue Phys. Appl. 22 (1987) 1515-1527 NOVEMBRE 1987, Classification Physics Abstracts 11.30B - 25.70C - 25.60C Liste des notations. 0 transconductance q = -1.6 x 10-19 C charge élémentaire de l’élec- w largeur de grille tron 1 g longueur de grille E Er, EO permittivité tron diélectrique de lsg distance source-grille l’AsGa 1 gd distance grille-drain k constante de Boltzman 1 sd distance source-drain Nd dopage uniforme de la couche longueur moyenne des métalli- active sations de drain et de source Vbi = ~s hauteur de barrière Schottky T température , Vt tension de seuil Qo profondeur effective du canal V p = V b; - V t tension de pincement pour un dopage uniforme Vas tension drain-source gd conductance de drain Vgs tension grille-source 9c constante décrivant la conduc- Vga tension grille-drain tance de drain en fonction de 1 d courant de canal Vgs 1 dss courant de canal à tension gril- Rog résistance carrée de la métalli- le-source nulle sation de grille 03BC0 mobilité en champ faible fc facteur de contact entre p 03C8ss hauteur de barrière entre l’AsGa et l’air Ce travail a été financé en partie par N facteur d’idéalité des diodes le contrat CNET n° 84 8B 006. Schottky Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0198700220110151500 1516 1. Introduction. Depuis le début des années 1980, la conception de circuits intégrés monolithiques hyperfréquences (MMIC) a conduit au développement de modèles précis pour le MESFET AsGa [1-5]. Pour une telle application, les performances en temps calcul du modèle n’ont que peu d’importance puisque les MMIC ne font intervenir qu’un petit nombre de transistors. Par suite, les expressions semi-empiri- ques décrivant, soit la source de courant interne du MESFET AsGa, soit les dépendances non linéaires des éléments parasites, sont généralement complexes afin de conserver une grande précision [6- 9]. De tels modèles ne peuvent être utilisés pour des applications de type circuits logiques correspondant à des niveaux d’intégration moyen (MSI) ou grand (LSI). De plus les programmes de simulation qui leur correspondent et qui permettent d’effectuer des simulations harmoniques ou grand signal sont la plupart du temps strictement privés. Il faut aussi souligner que l’implantation d’un modèle MESFET AsGa dérivé du modèle de Curtice dans un simula- teur « public » comme SPICE est très récente [10- 12]. A l’opposé, des modèles très simplifiés de MES- FET AsGa existent pour la simulation de circuits logiques [13]. La complexité usuellement admise pour les éléments non linéaires est assez faible, moyennant quoi la simulation de circuits comportant un grand nombre de portes logiques devient possible avec des coûts en temps machine assez faibles. D’une façon générale ces modèles sont une adapta- tion des équations du JFET silicium et la précision qu’il est possible d’obtenir est trop faible pour évaluer très finement les performances des circuits. Les progrès de rapidité et de niveau d’intégration des circuits logiques AsGa créent un besoin de modèles de MESFET précis et bien adaptés à la simulation de circuits rapides complexes. Un compromis s’impose alors entre une représentation du comportement dynamique des portes logiques la plus fidèle possible et un niveau de complexité compatible avec des temps de calcul assez courts. Afin d’étudier les perturbations apportées par la propagation, le couplage entre lignes sur la puce, et le bruit de commutation dans les circuits logiques AsGa [14], nous avons développé un modèle de ce type. La première partie de cet article présente le modèle dans son ensemble avec les équations des différents éléments. Des validations expérimentales sont proposées pour appuyer la formulation de certains éléments. La seconde partie concerne la comparaison entre des simulations et des expériences mettant en jeu le caractère dynamique du modèle (paramètres S d’un MESFET hyperfréquence, oscil- lateur en anneau). Enfin la dernière partie propose une étude de sensibilité de la réponse dynamique des portes logiques BFL vis-à-vis des paramètres princi- paux du modèle. 2. Le modèle de MESFET AsGa. 2.1 REPRÉSENTATION ELECTRIQUE DU MESFET AsGa. - La structure d’un MESFET AsGa est donnée en coupe figure 1. Les éléments parasites sont représentés sur cette coupe à l’endroit. correspondant à leur localisation physique. Le tableau 1 résume l’importance de chacun d’eux dans le cadre de la simulation des circuits intégrés AsGa logiques. Parmi ces quinze éléments, six d’entre eux seulement proviennent du transistor intrinsèque (la zone de charge d’espace et le canal). Les autres éléments sont liés aux métallisations et aux contacts électriques nécessaires aux interconnexions. Une analyse théorique du dispositif montre que chaque élément issu du transistor intrinsèque a un comportement non linéaire par rapport à deux au moins des trois tensions internes du FET. Nous avons choisi des formulations simplifiées de certains. d’entre eux afin d’assurer l’objectif de faible coût CPU : la, Cgs, Cgd et D1 sont effectivement décrits en utilisant des expressions non linéaires simples, la résistance de canal Ri sera pour sa part choisie constante en fonction de la polarisation. Fig. 1. - Vue en coupe d’un MESFET AsGa. Les élé- ments du FET intrinsèque et extrinsèque sont localisés à l’endroit de leur action physique. [Cross-sectionnal view of a MESFET with recessed gate. Elements of both intrinsic and extrinsic FET are located within the device.] La topologie du modèle physico-électrique équiva- lent est donnée figure 2. Les éléments de charge des portes BFL et DCFL (transistors montés en source de courant) voient fréquemment une inversion de polarité (Vds 0V) lorsque la porte commute. Il est alors très important de rendre compte du compor- tement réel de cette charge active (fonctionnement en inverse) afin de conserver la convergence de la résolution numérique du simulateur. Le moyen 1517 Tableau I. - Importance et origine physique des éléments de la figure 1: L’importance donnée est relative à la simulation temporelle de circuits logiques ultrarapides. Les remarques donnent succinctement l’influence de chaque élément sur la réponse transitoire des MESFET. [Importance and physical origin of the elements of figure 1. The importance is given relatively to ultrafast logic circuit simulation. The remarks are related to the element influence on the MESFET response.] choisi est de symétriser totalement le schéma physi- co-électrique équivalent du MESFET, ce qui fait jouer des rôles identiques aux noeuds source et drain du transistor. Cela complique légèrement le schéma électrique et la figure 2 diffère ainsi du schéma généralement choisi pour la modélisation de ces dispositifs en hyperfréquence. Une comparaison directe des éléments entre les différents types de modèles est impossible. La source de courant interne du modèle présenté uploads/Philosophie/ modele-analytique-du-mesfet-asga-pour-simulation-de-circuits-logiques-ultra-rapides.pdf