Avec les progrès technologiques réalisés au cours de ces dernières décennies, la complexité et les vitesses de fonctionnement des circuits intégrés ont beaucoup été augmentées. Bien que ces évolutions aient permis de diminuer les dimensions et les tensions d’alimentations des circuits, la compatibilité électromagnétique (CEM) des composants a fortement été dégradée. Identifiée comme étant un verrou technologique, la CEM est aujourd’hui l’une des principales causes de « re-design » des circuits car les problématiques liées aux mécanismes de génération et de couplage du bruit ne sont pas suffisamment étudiées lors de leur conception.Ce manuscrit présente donc une méthodologie visant à étudier la propagation du bruit à travers les circuits intégrés par mesures et par simulations. Afin d’améliorer nos connaissances sur la propagation d’interférences électromagnétiques (IEM) et les mécanismes de couplage à travers les circuits, nous avons conçu un véhicule de test développé dans la technologie SMOS8MV® 0,25 µm de Freescale Semiconductor. Dans ce circuit, plusieurs fonctions élémentaires telles qu’un bus d’E/S et des blocs numériques ont été implémentées. Des capteurs de tensions asynchrones ont également été intégrés sur différentes alimentations de la puce pour analyser la propagation des perturbations injectées sur les broches du composant (injection DPI) et sur les conducteurs permettant d’alimenter ce dernier (injection BCI). En outre, nous proposons différents outils pour faciliter la modélisation et les simulations d’immunité des circuits intégrés (extraction des modèles de PCB, approches de modélisation des systèmes d’injection, méthode innovante permettant de prédire et de corréler les niveaux de tension/ de puissance injectés lors de mesures d’immunité conduite, flot de modélisation). Chaque outil et méthode de modélisation proposés sont évalués sur différents cas test. Enfin, pour évaluer notre démarche de modélisation, nous l’appliquons sur un bloc numérique de notre véhicule de test et comparons les résultats de simulations aux différentes mesures internes et externes réalisées sur le circuit / With technological advances in recent decades, the complexity and operating speeds of integrated circuits have greatly increased. While these developments have reduced dimensions and supply voltages of circuits, electromagnetic compatibility (EMC) of components has been highly degraded. Identified as a technological lock, EMC is now one of the main causes of circuits re-designs because issues related to generating and coupling noise mechanisms are not sufficiently studied during their design. This manuscript introduces a methodology to study propagation of electromagnetic disturbances through integrated circuits by measurements and simulations. To improve our knowledge about propagation of electromagnetic interferences (EMI) and coupling mechanisms through integrated circuits, we designed a test vehicle developed in the SMOS8MV® 0.25µm technology from Freescale Semiconductor. In this circuit, several basic functions such as I/O bus and digital blocks have been implemented. Asynchronous on-chip voltage sensors have also been integrated on different supplies of the chip to analyze propagation of disturbances injected on supply pins and wires of the component (DPI and BCI injection). In addition, we propose various tools to facilitate modeling and simulations of Integrated Circuit’s immunity (PCB model extraction, injection systems modeling approaches, innovative method to predict and correlate levels of voltage / power injected during conducted immunity measurements, modeling flow). Each tool and modeling method proposed is evaluated on different test cases. To assess our modeling approach, we finally apply it on a digital block of our test vehicle and compare simulation results to various internal and external measurements performed on the circuit

Process variability is a major challenge for the design of nano scale MOSFETs due to fundamental physical limits as well as process control limitations. As the size of the devices is scales down to improve performance, the circuit becomes more sensitive to the process variations. Thus, it is necessary to have a device model that can predict the variations of device characteristics. Statistical modeling method is a potential solution for this problem. The novelty of the work is that we connect BSIM parameters directly to the underlying process parameters. This is very useful for fabs to optimize and control the specific processes to achieve certain circuit metric. This methodology and framework is extendable to any future technologies, because we used a device independent, but process depended frame work In the first part of this thesis, presents the design of nominal MOS devices with 28 nm physical gate length. The device is optimized to meet the specification of low standby power technology specification of International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS(2012). Design of experiments are conducted and the following parameters gate length, oxide thickness, halo concentration, anneal temperature and title angle of halo doping are identified as the critical process parameters. The device performance factors saturation current, sub threshold current, output impendence and transconductance are examined under process variabilty. In the subsequent sections of the thesis, BSIM parameter extraction of MOS devices using the software ICCAP is presented. The variability of the spice parameters due to process variation is extracted. Using the extracted data a new BSIM interpolated model for a variability aware circuit design is proposed assume a single process parameter is varying. The model validation is done and error in ICCAP extraction method for process variability is less than 10% for all process variation condition in 3σ range. In the next section, proposes LUT model and interpolated method for a variability aware circuit design for single parameter variation. The error in LUT method for process variability reports less than 3% for all process variation condition in 3σ range. The error in perdition of drain current and intrinsic gain for LUT model files are very close to the result of device simulation. The focus of the work was to established effective method to interlink process and SPICE parameters under variability. This required generating a large number of BSIM parameter ducks. Since there could be some inaccuracy in large set of BSIM parameters, we used LUT as a golden standard. We used LUT modeling as a benchmark for validation of our BSIM3 model In the final section of thesis, impact of multi parameter variation of the processes in device performance is modelled using RSM method; the model is verified using ANOVA method. Models are found to be sufficient and stable. The reported error is less than 1% in all cases. Monte Carlo simulation confirms stability and repeatability of the model. The model for random variabilty of process parameters are formulated using BSIM and compared with the LUT model. The model was tested using a benchmark circuit. The maximum error in Monte Carlo simulation is found to be less than 3% for output current and less than 8% for output impedance.

On-chip impedance tuning is used to overcome IC perturbations caused by packaging stress. Tuning is more important for matching networks of radio frequency (RF) systems. Possible package resonance and fabrication process variations may cause instability, which is a major problem in RF systems. Thus, precautions need to be taken in order to maintain the overall stability of components and the final system itself. Electrically erasable programmable read-only memory switches (EEPROMs) occupy less die area compared to e-fuses and microelectromechanical system (MEMS) switches, thus EEPROMs are proposed to be used as tuning switches in millimetre-wave (mm-wave) applications. It is anticipated that EEPROM switches will also enable multi-time programming because of the smaller area and the fact that more switches can be used for fine-tuning. The problem addressed in this research is how suitable EEPROMs are for switching applications in the mm-wave region. The main focus of this dissertation is to characterise the suitability of EEPROM switches qualitatively for tuning with systems operating in the mm-wave spectrum. 130 nm SiGe BiCMOS IBM 8HP process technology was used for simulation and the fabricated prototypes. The Dickson charge pump (CP), two voltage doubler CPs and four floating gate (FG) devices were investigated. Literature and theoretical verification was done using computer aided design (CAD) Cadence software through circuit analysis and the layouts were also designed for integrated circuit (IC) prototype fabrication. The qualitative evaluation of the hypothesis was based on investigating reliability issues, switching characteristics, CP output drive capability and mm-wave characterisation. The maximum measured drain current for FGs was 1.4 mA, 2.7 mA and 3 mA for devices 2, 3 and 4, respectively. The ratio between ON state switching current (after tunnelling) and OFF state switching current (after injection) was 1.5, 1.35 and 6 for devices 2, 3 and 4, respectively. The ratios correlated with the expected results in terms of FG transistor area: a high area results in a higher ratio. Despite the correlation, devices 2 and 3 may be unsuitable because the ratio is less than 2: a smaller ratio between the ON and OFF states could also result in higher losses. The Dickson CP achieved an output voltage of 2.96 V from an input of 1.2 V compared to 3.08 V as computed from the theoretical analysis and 4.5 V from the simulation results. The prototypes of the voltage doubler CP did not perform as expected: a maximum of 1 V was achieved compared to 4.1 – 5 V as in the simulation results. The suitability of FG devices for switching applications depends on the ratio of the ON and OFF states (associated to insertion and isolation losses): the larger the FG transistor area, the higher the ratio. The reliability issues are dominated by the oxide thickness of the transistor, which contributes to charge leakages and charge trapping: smaller transistor length causes more uncertainties. Charge trapping in the oxide increases the probability of leakages and substrate conduction, thus introduces more losses. Based on the findings of this research work, the FG devices promise to be suitable for mm-wave switching applications and there is a need for further research investigation to characterise the devices in the mm-wave region fully. AFRIKAANS : Impedansie-instelling op skyf word gebruik om steurings in geïntegreerde stroombane wat deur verpakkingstres veroorsaak word, te oorkom. Instelling is meer belangrik om netwerke van radiofrekwensiesisteme te paar. Moontlike verpakkingresonansie en variasies in die vervaardigingsproses kan onstabiliteit veroorsaak, wat ‟n groot probleem is in radiofrekwensiesisteme. Voorsorg moet dus getref word om die oorhoofse stabiliteit van komponente en die finale sisteem self te handhaaf. Elektries uitveebare programmeerbare slegs-lees-geheueskakelaars (EEPROMs) neem minder matrysarea op as e-sekerings en die sekerings van mikro-elektromeganiese sisteme en word dus voorgestel vir gebruik as instellingskakelaars in millimetergolfaanwendings. Daar word verwag dat EEPROM-skakelaars ook multi-tydprogrammering sal moontlik maak as gevolg van die kleiner area en die feit dat meer skakelaars gebruik kan word vir fyn instellings. Die probleem wat in hierdie navorsing aandag geniet, is die geskiktheid van EEPROMS vir skakelaanwendings in die millimetergolfstreek. The hooffokus van die verhandeling is om die geskiktheid van EEPROM-skakelaars kwalitatief te karakteriseer vir instelling met sisteme wat in die millimetergolfspektrum funksioneer. Department of Electrical, Electronic and Computer Engineering v University of Pretoria 130 nm SiGe BiCMOS IBM 8HP-prosestegnologie is gebruik vir simulasie en die vervaardigde prototipes. Die Dickson-laaipomp is gebruik vir simulasie en die vervaardigde prototipes. Die Dickson-laaipomp, twee spanningverdubbelinglaaipompe en vier swewendehektoestelle is ondersoek. Literatuur- en teoretiese verifikasie is gedoen met behulp van rekenaarondersteunde-ontwerp (CAD) Cadence-sagteware deur stroombaananalise en die uitleg is ook ontwerp vir die vervaardiging van geïntegreerdestroombaanprototipes. Die kwalitatiewe evaluasie van die hipotese is gebaseer op die ondersoek van betroubaarheidkwessies, skakelingeienskappe, laaipompuitsetdryfvermoë en millimetergolfkarakterisering. Die maksimum gemete dreineerstroom vir swewende hekke was 1.4 mA, 2.7 mA en 3 mA vir onderskeidelik toestelle 2, 3 en 4. Die verhouding tussen die AAN-toestand van die skakelstroom (na tonnelling) en die AF-toestand van die skakelstroom (na inspuiting) was 1.5, 1.35 en 6 vir toestelle 2, 3 en 4, onderskeidelik. Die verhoudings het ooreengestem met die verwagte resultate rakende die swewendehek-transistorareas: ‟n groot area het ‟n hoër verhouding tot gevolg. Nieteenstaande die ooreenstemming, mag toestelle 2 en 3 moontlik nie geskik wees nie, omdat die verhouding kleiner as 2 is: ‟n kleiner verhouding tussen die AAN- en AF-toestande mag ook hoër verliese tot gevolg hê. Die Dickson-laaipomp het ‟n uitsetspanning van 2.96 V vanaf ‟n inset van 1.2 V vergeleke met 3.08 V soos bereken volgens die teoretiese analise en 4.5 V volgens die simulasieresultate. Die prototipes van die spanningverdubbelinglaaipomp het nie gefunksioneer soos verwag is nie: ‟n maksimum van 1 V is bereik vergeleke met 4.1 – 5 V soos in die simulasieresultate. Die geskiktheid van swewendehektoestelle vir skakelingtoepassings hang af van die verhouding van die AAN- en AF-toestande (wat met invoer-en isolasieverlies geassosieer word): hoe groter die swewendehektransistorarea, hoe hoër die verhouding. Die betroubaarheidkwessies word oorheers deur die oksieddikte van die transistor, wat bydra tot ladinglekkasies en ladingvasvangs: korter transistorlengte veroorsaak meer onsekerheid. Ladingvasvangs in die oksied verhoog die moontlikheid van lekkasies en substraatgeleiding en veroorsaak dus groter verlies. Die bevindings van hierdie navorsing toon dat swewendehektoestelle waarskynlik geskik is vir millimetergolfaanwendings en verdere navorsing is nodig om die toestelle volledig in die millimetergolfstreek te karakteriseer. Copyright / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2013. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

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The prevalence of wireless standards and the introduction of dynamic standards/applications, such as software-defined radio, necessitate the next generation wireless devices that integrate multiple standards in a single chip-set to support a variety of services. To reduce the cost and area of such multi-standard handheld devices, reconfigurability is desirable, and the hardware should be shared/reused as much as possible. This research proposes several novel circuit topologies that can meet various specifications with minimum cost, which are suited for multi-standard applications. This doctoral study has two separate contributions: 1. The low noise amplifier (LNA) for the RF front-end; and 2. The analog-to-digital converter (ADC). The first part of this dissertation focuses on LNA noise reduction and linearization techniques where two novel LNAs are designed, taped out, and measured. The first LNA, implemented in TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 0.35Cm CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) process, strategically combined an inductor connected at the gate of the cascode transistor and the capacitive cross-coupling to reduce the noise and nonlinearity contributions of the cascode transistors. The proposed technique reduces LNA NF by 0.35 dB at 2.2 GHz and increases its IIP3 and voltage gain by 2.35 dBm and 2dB respectively, without a compromise on power consumption. The second LNA, implemented in UMC (United Microelectronics Corporation) 0.13Cm CMOS process, features a practical linearization technique for high-frequency wideband applications using an active nonlinear resistor, which obtains a robust linearity improvement over process and temperature variations. The proposed linearization method is experimentally demonstrated to improve the IIP3 by 3.5 to 9 dB over a 2.5–10 GHz frequency range. A comparison of measurement results with the prior published state-of-art Ultra-Wideband (UWB) LNAs shows that the proposed linearized UWB LNA achieves excellent linearity with much less power than previously published works. The second part of this dissertation developed a reconfigurable ADC for multistandard receiver and video processors. Typical ADCs are power optimized for only one operating speed, while a reconfigurable ADC can scale its power at different speeds, enabling minimal power consumption over a broad range of sampling rates. A novel ADC architecture is proposed for programming the sampling rate with constant biasing current and single clock. The ADC was designed and fabricated using UMC 90nm CMOS process and featured good power scalability and simplified system design. The programmable speed range covers all the video formats and most of the wireless communication standards, while achieving comparable Figure-of-Merit with customized ADCs at each performance node. Since bias current is kept constant, the reconfigurable ADC is more robust and reliable than the previous published works.

This thesis deals with the utilization of new principles of characterization of gate capacitances for sigma-delta modulators. Sigma-delta modulators are the integral part of sigma-delta analog-to-digital converters. The proposed new method is characterized by high resolution and modest requirements for laboratory equipment. It allows characterizing capacitances whose values are within the range which is used in sigma-delta modulators. The thesis contains description of the new method, the analysis of measurement accuracy and experimental results.

Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen. / The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling.

Diplomová práce obsahuje stručný teoretický základ pro designéra/ku A/D převodníku v technologii CMOS a přehled architektur A/D převodníků používaných v automobilovém průmyslu. Volba vhodné architektury pro konkrétní aplikaci byla zásadním úkolem zpra- covaným v semestrálním projektu předcházejícím tuto práci a je rovněž součástí této práce. Analýza v Matlabu, ze které by mělo vyplynout, je-li třeba zahrnout do architek- tury podblok Sample and Hold, je také součástí práce. Klíčovou částí práce je dokumen- tace návrhu jednotlivých podbloků A/D převodníku – operačního zesilovače, kompará- toru a R-2R D/A převodníku – a ověření jejich funkčnosti. V závěru práce je ověřena funkčnost A/D převodníku jako celku.

Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung / The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung