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캡스톤 - 2020_capstone_final_초고주파응용회로team11_TFET based SRAM bitcell design_Leejaehyuk

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최초등록일 2023.06.22 최종저작일 2020.01
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    목차

    I. INTRODUCTION
    II. TFET DEVICE AND CHARACTERISTICS
    III. OPERATION AND EVALUATION OF SRAM
    IV. HYBRID GAA BASED 6T SRAM CELL DESIGN
    V. SIMULATION RESULTS AND DISCUSSION
    VI. CONCLUSION

    본문내용

    Abstract— Steep sub-threshold transistors are promising candidates to replace the traditional MOSFETs for sub-threshold leakage reduction. However, the delayed saturation characteristic and the broad soft transition region result in a large crossover region/current in an inverter, thus degrading the hold/read static noise margin (H/RSNM) of TFET SRAM cells. The write-ability and write static noise margin (WSNM) of TFET SRAM cells are constrained by the unidirectional conduction characteristics and large crossover contention of the write access transistor and the holding transistor. In this paper, we present a detailed analysis of TFET circuit switching/output characteristics/performance and the underlying physics. We also investigate and express SNM, which is an evaluation element of the SRAM. And finally, we present hybrid GAA 6T SRAM using TFET and MOSFET together.

    Index Terms— HSPICE, SNM(Static Noise Margin), SRAM TFET(Tunnel Based FET), ULP(Ultra Low Power), GAA(Gate all around), Ohmic contact

    I. INTRODUCTION
    THE Internet of Things (IoT) is going to be a key aspect of future electronic industry. This will put a huge demand on portable or remote devices operated by energy harvesters or batteries. The overall power optimization of the system would largely depend on the performance of static random-access memory(SRAM) due to its wide-scale use as microprocessor caches. Supply voltage scaling has been the most attractive approach until recently to reduce the overall power consumption. However, this leads to a significant increase in delay. Moreover, increased leakage current and reduced ON-current are serious drawbacks at lower Vdd. In fact, the fundamental limit of subthreshold swing is the bottleneck of CMOS for further reducing the leakage.
    TFET has emerged as one of the promising candidates for ultralow-power (ULP) applications. This is attributed to its band-to-band tunneling mechanism that defies the SS limit of 60 mV/decade in MOSFET. However, unidirectional current conduction of TFET impacts the robustness of SRAM cells due to conflicting read/write requirements. Also, Low Ion in the conventional TFET Poses challenge for deployment in the mainstream CMOS. Therefore, we will try to design a Hybrid GAA 6T SRAM to improve the performance of the existing 6T SRAM and change the number or thickness of TFET’s device packets. The hybrid GAA device is a circuit in which MOSFET and TFET are connected to each transistor in parallel. The completed SRAM will be measured using Hspice to compare performance with the existing SRAM by measuring RSNM, WSNM and HSNM.

    참고자료

    · A. Tura and J. Woo, “Performance comparison of silicon steep subthreshold FETs,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 57, no. 6, pp. 1362–1368, Jun. 2010.
    · A.Mallik and A.Chattopadhyay, “Drain-dependence of tunnel field-effect transistor characteristics: The role of the channel,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 58, no. 12, pp. 4250–4257, Dec. 2011.
    · S. Ahmad, N. Alam, and M. Hasan, “Robust TFET SRAM cell for ultralow power IoT applications,” AEU Int. J. Electron. Commun., vol. 89, pp. 70–76, 2018. doi: 10.1016/j.aeue.2018.03.029.
    · Sze, S.M. (1981). Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-05661-4. Discussion of theory plus device implications.
    · UNIVERSITY OF CALIFORNIA AT BERKELEY College of Engineering Department of Electrical Engineering and Computer Sciences EE105 Lab Experiments HSPICE Tutorial
    · Y. Taur, C. H. Wann, and D. J. Frank, “25 nm CMOS design considerations,” in
    · S. M. Sze and K. K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, 3re ed. New York: Wiley-Interscience, 2007
    · Y. Yang, X. Tong, L.-T. Yang, P.-F. Guo, L. Fan, and Y.-C. Yeo, “Tunneling field-effect transistor: Capacitance components and modeling,” IEEE Electron Dev. Lett., vol. 31, no. 7, pp. 752-754, Jul. 2010.
    · P. M. Asbeck, K. Lee, and J. Min, “Projected performance of heterostructure tunneling FETs in low power microwave and mm-wave applications,” IEEE J. Electron Devices Soc., accepted 2015.
    · IEDM Tech. Dig., 1998, pp. 789-792.
    · D. H. Morris, U. E. Avci, and I. A. Young, “Variation-tolerant dense TFET memory with low Vmin matching low-voltage TFET logic,” in Proc. Symp. VLSI Technol. (VLSI Technol.), Jun. 2015, pp. T24–T25. doi: 10.1109/VLSIT.2015.7223688.
  • AI와 토픽 톺아보기

    • 1. TFET 디바이스 및 특성
      TFET(Tunnel Field Effect Transistor)는 기존 MOSFET의 한계를 극복하기 위해 개발된 차세대 반도체 소자입니다. TFET은 터널링 현상을 이용하여 낮은 전압에서도 높은 온/오프 전류비를 달성할 수 있어, 저전력 응용 분야에 적합합니다. TFET의 주요 특성으로는 가파른 서브 스레숄드 스윙, 낮은 문턱 전압, 낮은 누설 전류 등이 있습니다. 이러한 특성을 통해 TFET은 MOSFET 대비 우수한 에너지 효율을 보일 수 있습니다. 하지만 TFET 제작 및 공정 기술의 복잡성, 낮은 온 전류 등의 과제가 여전히 존재하므로, 이에 대한 지속적인 연구 개발이 필요할 것으로 보입니다.
    • 2. SRAM 셀 동작 및 평가
      SRAM(Static Random Access Memory)은 메모리 소자 중 하나로, 빠른 읽기/쓰기 속도와 비휘발성 특성으로 인해 CPU 캐시 메모리 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다. SRAM 셀의 동작은 크게 읽기, 쓰기, 홀드 모드로 구분됩니다. 읽기 동작 시 비트라인의 전압 변화를 감지하여 데이터를 읽어내며, 쓰기 동작 시 비트라인에 새로운 데이터를 인가하여 저장합니다. 홀드 모드에서는 저장된 데이터를 유지합니다. SRAM 셀 성능 평가 시에는 정적 잡음 여유, 쓰기 마진, 읽기 마진 등의 지표를 확인하여 안정성을 검증합니다. 이러한 SRAM 셀 동작 및 평가 기술은 고성능, 저전력 메모리 설계에 핵심적인 역할을 합니다.
    • 3. 하이브리드 GAA 기반 6T SRAM 셀 설계
      하이브리드 GAA(Gate-All-Around) 구조는 기존 FinFET 대비 향상된 전기적 특성과 스케일링 능력을 가지고 있어, 차세대 SRAM 셀 설계에 적합한 구조로 주목받고 있습니다. 6T SRAM 셀은 가장 기본적인 SRAM 셀 구조로, 6개의 트랜지스터로 구성되어 있습니다. 하이브리드 GAA 기반 6T SRAM 셀 설계 시에는 셀 안정성, 읽기/쓰기 특성, 전력 소모 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 예를 들어 채널 길이, 게이트 길이, 소스/드레인 영역 등의 최적화를 통해 SRAM 셀의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 하이브리드 GAA 기반 SRAM 셀 설계 기술은 향후 고집적, 저전력 메모리 구현에 기여할 것으로 기대됩니다.
    • 4. 시뮬레이션 결과 및 분석
      TFET 디바이스, SRAM 셀, 하이브리드 GAA 기반 SRAM 셀 등의 설계 및 특성 분석을 위해서는 정밀한 시뮬레이션이 필수적입니다. 시뮬레이션을 통해 각 소자의 전기적 특성, 동작 원리, 성능 지표 등을 면밀히 분석할 수 있습니다. 예를 들어 TFET의 경우 터널링 현상에 의한 전류-전압 특성, 서브 스레숄드 스윙, 온/오프 전류비 등을 시뮬레이션으로 확인할 수 있습니다. 또한 SRAM 셀의 경우 읽기/쓰기 마진, 정적 잡음 여유, 전력 소모 등을 평가할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션 결과 분석을 통해 각 소자의 장단점을 파악하고, 성능 향상을 위한 최적화 방안을 도출할 수 있습니다. 따라서 정밀한 시뮬레이션 및 분석 기술은 차세대 반도체 소자 개발에 필수적인 요소라고 할 수 있습니다.
  • 자료후기

      Ai 리뷰
      이 문서는 TFET와 MOSFET의 특성을 비교하고 이를 활용한 하이브리드 GAA 6T SRAM 셀의 설계 및 성능 평가 결과를 상세히 설명하고 있습니다. 특히 읽기 안정성과 쓰기 가능성 측면에서 하이브리드 구조의 장점을 잘 보여주고 있습니다.
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