सेमीकंडक्टर डिवाइस मॉडलिंग

सेमीकंडक्टर डिवाइस मॉडलिंग मूलभूत भौतिकी के आधार पर विद्युत उपकरणों के व्यवहार के लिए मॉडल बनाता है, जैसे उपकरणों के डोपिंग प्रोफाइल। इसमें [[ट्रांजिस्टर मॉडल]] (जैसे प्रसिद्ध स्पाइस ट्रांजिस्टर मॉडल) का निर्माण भी सम्मिलित हो सकता है, जो ऐसे उपकरणों के विद्युत व्यवहार को पकड़ने की कोशिश करते हैं किन्तु सामान्यतः  उन्हें अंतर्निहित भौतिकी से प्राप्त नहीं करते हैं। सामान्यतः  यह  अर्धचालक प्रक्रिया सिमुलेशन  के आउटपुट से शुरू होता है।

परिचय
दाईं ओर का आंकड़ा "बड़ी तस्वीर" का एक सरलीकृत वैचारिक दृष्टिकोण प्रदान करता है। यह आंकड़ा दो इन्वर्टर चरणों और सर्किट के परिणामी इनपुट-आउटपुट वोल्टेज-टाइम प्लॉट को दर्शाता है। डिजिटल सिस्टम के दृष्टिकोण से रुचि के प्रमुख पैरामीटर हैं: समय की देरी, स्विचिंग पावर, लीकेज करंट और क्रॉस-कपलिंग (क्रॉसस्टॉक) अन्य ब्लॉक के साथ। वोल्टेज का स्तर और संक्रमण की गति भी चिंता का विषय है।

यह आंकड़ा योजनाबद्ध रूप से I के महत्व को भी दर्शाता हैon बनाम मैंoff, जो बदले में "ऑन" डिवाइस के लिए ड्राइव-करंट (और मोबिलिटी) से संबंधित है और "ऑफ" डिवाइस के लिए कई लीकेज पथ हैं। आकृति में स्पष्ट रूप से नहीं दिखाया गया है समाई - दोनों आंतरिक और परजीवी - जो गतिशील प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।

पावर स्केलिंग जो अब उद्योग में एक प्रमुख प्रेरक शक्ति है, चित्र में दिखाए गए सरलीकृत समीकरण में परिलक्षित होती है - महत्वपूर्ण पैरामीटर समाई, बिजली की आपूर्ति और क्लॉकिंग आवृत्ति हैं। मुख्य पैरामीटर जो डिवाइस के व्यवहार को सिस्टम के प्रदर्शन से संबंधित करते हैं, उनमें सीमा वोल्टेज, ड्राइविंग करंट और सबथ्रेशोल्ड विशेषताएँ सम्मिलित हैं।

यह अंतर्निहित प्रौद्योगिकी और डिवाइस डिज़ाइन चर के साथ सिस्टम प्रदर्शन के मुद्दों का संगम है, जिसके परिणामस्वरूप चल रहे स्केलिंग नियम हैं जिन्हें अब हम मूर के नियम  के रूप में संहिताबद्ध करते हैं।

डिवाइस मॉडलिंग
एकीकृत परिपथों में उपकरणों की भौतिकी और मॉडलिंग में MOS और द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर मॉडलिंग का प्रभुत्व है। चूंकि, अन्य डिवाइस महत्वपूर्ण हैं, जैसे मेमोरी डिवाइस, जिनकी मॉडलिंग आवश्यकताएं अलग-अलग हैं। निश्चित रूप से विश्वसनीयता इंजीनियरिंग के मुद्दे भी हैं- उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रो-स्टैटिक डिस्चार्ज (ईएसडी) सुरक्षा सर्किट और डिवाइस- जहां सब्सट्रेट और परजीवी डिवाइस महत्वपूर्ण महत्व के हैं। अधिकांश डिवाइस मॉडलिंग प्रोग्राम इन प्रभावों और मॉडलिंग पर विचार नहीं करते हैं; इच्छुक पाठक को ESD और I/O मॉडलिंग के क्षेत्र में कई उत्कृष्ट मोनोग्राफ के लिए भेजा जाता है।

भौतिकी संचालित बनाम कॉम्पैक्ट मॉडल
भौतिकी चालित डिवाइस मॉडलिंग सटीक होने का इरादा है, किन्तु यह इलेक्ट्रॉनिक सर्किट सिमुलेशन जैसे मसाला  सहित उच्च स्तरीय उपकरणों के लिए पर्याप्त तेज़ नहीं है। इसलिए, सर्किट सिमुलेटर सामान्यतः  अधिक अनुभवजन्य मॉडल ( अधिकांशतः  कॉम्पैक्ट मॉडल कहा जाता है) का उपयोग करते हैं जो सीधे अंतर्निहित भौतिकी का मॉडल नहीं करते हैं। उदाहरण के लिए, व्युत्क्रम-परत गतिशीलता मॉडलिंग, या गतिशीलता की मॉडलिंग और भौतिक मापदंडों, परिवेश और परिचालन स्थितियों पर इसकी निर्भरता प्रौद्योगिकी सीएडी (प्रौद्योगिकी कंप्यूटर एडेड डिजाइन) भौतिक मॉडल और सर्किट-स्तरीय कॉम्पैक्ट मॉडल दोनों के लिए एक महत्वपूर्ण विषय है। चूंकि, यह पहले सिद्धांतों से सटीक रूप से प्रतिरूपित नहीं किया गया है, और इसलिए प्रयोगात्मक डेटा को फिट करने के लिए सहारा लिया जाता है। भौतिक स्तर पर गतिशीलता मॉडलिंग के लिए विद्युत चर विभिन्न प्रकीर्णन तंत्र, वाहक घनत्व और स्थानीय क्षमता और क्षेत्र हैं, जिसमें उनकी विधि  और परिवेश निर्भरता सम्मिलित  है।

इसके विपरीत, सर्किट-स्तर पर, मॉडल टर्मिनल वोल्टेज और अनुभवजन्य बिखरने वाले मापदंडों के संदर्भ में प्रभाव को मापते हैं। दो अभ्यावेदन की तुलना की जा सकती है, किन्तु कई स्थितियों में यह स्पष्ट नहीं है कि अधिक सूक्ष्म व्यवहार के संदर्भ में प्रायोगिक डेटा की व्याख्या कैसे की जाए।

इतिहास
प्रौद्योगिकी कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन (TCAD) का विकास - प्रक्रिया, उपकरण और सर्किट सिमुलेशन और मॉडलिंग टूल का सहक्रियात्मक संयोजन - द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर  विधि  में अपनी जड़ें पाता है, जो 1960 के दशक के अंत में शुरू हुआ, और जंक्शन पृथक, दोहरे की चुनौतियाँ -और ट्रिपल- प्रसार ट्रांजिस्टर । ये उपकरण और प्रौद्योगिकी पहले एकीकृत परिपथों के आधार थे; बहरहाल, आईसी विकास के चार दशकों के बाद भी, स्केलिंग के कई मुद्दे और अंतर्निहित भौतिक प्रभाव एकीकृत सर्किट डिजाइन के अभिन्न अंग हैं। आईसी की इन प्रारंभिक  पीढ़ियों के साथ, प्रक्रिया परिवर्तनशीलता और पैरामीट्रिक उपज एक उद्देश्य था - एक ऐसा विषय जो भविष्य की आईसी प्रौद्योगिकी में भी एक नियंत्रण कारक के रूप में फिर से उभरेगा।

प्रक्रिया नियंत्रण के मुद्दे - आंतरिक उपकरणों और सभी संबद्ध परजीवी दोनों के लिए - दुर्जेय चुनौतियों को प्रस्तुत किया और प्रक्रिया और उपकरण सिमुलेशन के लिए उन्नत भौतिक मॉडल की एक श्रृंखला के विकास को अनिवार्य किया। 1960 के दशक के अंत में और 1970 के दशक में, उपयोग किए गए मॉडलिंग दृष्टिकोण प्रमुख रूप से एक- और द्वि-आयामी सिमुलेटर थे। जबकि इन प्रारंभिक पीढ़ियों में TCAD ने बाइपोलर विधि  की भौतिकी-उन्मुख चुनौतियों को दूर करने में रोमांचक वादा दिखाया, MOS प्रौद्योगिकी की उत्तम मापनीयता और बिजली की खपत ने IC उद्योग में क्रांति ला दी। 1980 के दशक के मध्य तक, एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए CMOS प्रमुख चालक बन गया। बहरहाल, ये प्रारंभिक  TCAD घटनाक्रम  एक आवश्यक टूलसेट के रूप में उनके विकास और व्यापक तैनाती के लिए मंच तैयार करें जिसने वीएलएसआई और यूएलएसआई युगों के माध्यम से प्रौद्योगिकी विकास का लाभ उठाया है जो अब मुख्यधारा हैं।

एक चौथाई सदी से भी अधिक समय से IC के विकास पर MOS विधि का वर्चस्व रहा है। 1970 और 1980 के दशक में NMOS को गति और क्षेत्र लाभ के कारण, प्रौद्योगिकी सीमाओं और अलगाव, परजीवी प्रभाव और प्रक्रिया जटिलता से संबंधित चिंताओं के कारण पसंद किया गया था। NMOS-वर्चस्व वाले एकीकृत सर्किट या SSI, MSI, LSI और VLSI के उद्भव के उस युग के दौरान, MOS प्रौद्योगिकी के मौलिक स्केलिंग कानूनों को संहिताबद्ध और व्यापक रूप से प्रयुक्त  किया गया था। यह इस अवधि के समय भी था कि TCAD शक्तिशाली  प्रक्रिया मॉडलिंग (मुख्य रूप से एक-आयामी) को साकार करने के मामले में परिपक्वता तक पहुंच गया, जो तब एक अभिन्न प्रौद्योगिकी डिजाइन उपकरण बन गया, जिसका उपयोग पूरे उद्योग में सार्वभौमिक रूप से किया जाता था। उसी समय डिवाइस सिमुलेशन, मुख्य रूप से एमओएस उपकरणों की प्रकृति के कारण द्वि-आयामी, उपकरणों के डिजाइन और स्केलिंग में प्रौद्योगिकीविदों का कार्य-घोड़ा बन गया।  MOSFETया NMOS लॉजिक से CMOS विधि  में संक्रमण के परिणामस्वरूप प्रक्रिया और डिवाइस सिमुलेशन के लिए कसकर युग्मित और पूरी तरह से 2D सिमुलेटर की आवश्यकता हुई। टीसीएडी उपकरणों की यह तीसरी पीढ़ी ट्विन-वेल सीएमओएस प्रौद्योगिकी (चित्र 3ए देखें) की पूर्ण जटिलता को संबोधित करने के लिए महत्वपूर्ण हो गई, जिसमें डिजाइन नियमों और  अवरोधित हो जाना  जैसे परजीवी प्रभावों के मुद्दे सम्मिलित  हैं।  1980 के दशक के मध्य तक इस अवधि का संक्षिप्त रूप दिया गया है; और डिजाइन प्रक्रिया में TCAD टूल्स का उपयोग कैसे किया गया, इस दृष्टिकोण से देखें।

यह भी देखें

 * डायोड मॉडलिंग
 * ट्रांजिस्टर मॉडल
 * कॉम्पैक्ट मॉडल गठबंधन
 * प्रौद्योगिकी सीएडी

संदर्भ

 * Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook, by Lavagno, Martin, and Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 A survey of the field of electronic design automation. This summary was derived (with permission) from Vol II, Chapter 25, Device Modeling—from physics to electrical parameter extraction, by Robert W. Dutton, Chang-Hoon Choi and Edwin C. Kan.
 * R.W. Dutton and A.J. Strojwas,, IEEE Trans. CAD-ICAS, vol. 19, no. 12, pp. 1544–1560, December, 2000.