Nanometer-MOSFETs für Digital- und Hochfrequenzanwendungen

The Silicon MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) is the dominating device in semiconductor electronics since the 1980s. Provided the trend of the past decades will continue, and many signs support this assumption, one can expect the mass production of integrated circuits (ICs) containing MOSFETs with gate lengths of only 10nm around the year 2020. At such small dimensions, transistor operation can only be maintained by using nonclassical MOSFET concepts. Moreover, in such devices a strong influence of quasi-ballistic carrier transport and quantum mechanical effects can be expected whose actual impact on the device performance and its immunity against process induced fluctuations is not finally clarified. The aim of the present work is the evaluation of different nonclassical MOSFET concepts regarding their performance and suitability for future logic and analog/RF (radio frequency) applications and to define their design space. The investigations are based on numerical device simulations supported by analytical calculations. It is shown that the simple and robust drift-diffusion model with a few minor but effective modifications is well suited for the simulation of such three-dimensional devices. The impact of quantum effects on the electrical device behavior is investigated by means of analytical models, developed in the frame of this work, and self-consistent numerical solutions of the Schrödinger and Poisson equations. It can be shown that at the 10-nm gate length level, quite different channel geometries can lead to similar electrical parameters. Double-Gate, Tri-Gate and even Single-Gate SOI MOSFETs are able to meet the targets for high-performance logic applications. A detailed study on the impact of geometry fluctuations on transistor performance demonstrates that the mass production of 10nm MOSFETs requires extreme process stability, in particular, to keep fluctuations of the off-current within tolerable limits. The simulation of the high-frequency behavior of 10nm MOSFETs results in impressive frequency limits well within the terahertz range. In the subthreshold regime, these MOSFETs already show cutoff frequencies exceeding 50GHz. Hence, extremely scaled nonclassical MOSFETs have the potential not only for new applications within the so-called terahertz gap but also for ultra-low power RF electronics. In order to really take advantage of the outstanding high frequency capabilities of these devices, minimizing extrinsic resistances and capacitances is essential. The effects of such parasitic elements are investigated in detail and upper limits for tolerable combinations of resistances and capacitances are elaborated.Der Silizium-MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) ist seit den 1980er Jahren das mit Abstand wichtigste Bauelement der Halbleiterelektronik. Geht man davon aus, dass der Trend der letzten Jahrzehnte beibehalten wird, ist um das Jahr 2020 mit der Massenproduktion von integrierten Schaltkreisen zu rechnen, deren Transistoren eine Gatelänge von nur noch 10nm besitzen. Bei so kleinen Abmessungen kann die Funktionsweise der Transistoren nur durch die Anwendung nichtklassischer MOSFET-Konzepte aufrechterhalten werden. In diesen Bauelementen muss mit einem starken Einfluss quasiballistischer Transporteffekte sowie mit einer Reihe quantenmechanischer Effekte gerechnet werden, über deren tatsächliche Auswirkungen auf die Performance der Transistoren und auf deren Empfindlichkeit gegenüber Prozessschwankungen noch keine endgültige Klarheit besteht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, verschiedene nichtklassische MOSFET-Konzepte hinsichtlich ihrer Performance sowie ihrer Eignung für zukünftige Logik- bzw. Analog/RF-Anwendungen zu bewerten und ihren Designspielraum einzugrenzen. Die Untersuchungen basieren auf numerischen Bauelementesimulationen unter Zuhilfenahme analytischer Berechnungen. Es wird gezeigt, dass das einfache und robuste Drift-Diffusionsmodell mit geringfügigen aber effektiven Modifikationen für die Simulation solcher dreidimensionalen Bauelemente geeignet ist. Die Auswirkungen von Quanteneffekten auf die elektrischen Eigenschaften der Transistoren werden mit Hilfe eigens dafür entwickelter analytischer Modelle sowie mit numerischen Lösungen der Schrödinger- und Poissongleichungen untersucht. Es wird gezeigt, dass bei einer Gatelänge von 10nm sehr verschiedene Querschnittsgeometrien zu ähnlichen elektrischen Parametern führen können. Sowohl Double-Gate, Tri-Gate aber auch Single-Gate SOI MOSFETs können die Anforderungen für High-Performance Logikanwendungen in diesem Gatelängenbereich erfüllen. In einer detaillierten Untersuchung zum Einfluss von Geometrieschwankungen wird demonstriert, dass die Massenfertigung von MOSFETs mit 10nm Gatelänge extreme Anforderungen an die Prozesskontrolle stellt, insbesondere um Fluktuationen des Off-Stroms in vertretbaren Grenzen zu halten. Die Simulation der Hochfrequenzeigenschaften dieser Transistoren liefert beeindruckende Grenzfrequenzen bis in den Terahertzbereich. Werden die untersuchten MOSFETs im Subthresholdbereich betrieben, erreichen sie bereits Transitfrequenzen im zweistelligen Gigahertzbereich. Stark skalierte nichtklassische MOSFETs haben demnach nicht nur das Potential für neue Anwendungen im Bereich des Terahertz-Gap sondern auch für Gigahertz-Elekronik mit extrem geringer Leistungsaufnahme. Um das außerordentliche Potential dieser Transistoren auch tatsächlich nutzen zu können, ist die Minimierung äußerer Widerstände und Kapazitäten essentiell. Die Wirkung solcher parasitärer Elemente wird detailliert untersucht und die Obergrenzen für tolerierbare Widerstände und Kapazitäten werden bestimmt

Kulturelle Orientierungen, Geschlechterrollen sowie Einschätzung des Familienklimas von Jugendlichen mit und ohne Migrationshintergrund unter Berücksichtigung des Faktors Fernsehkonsum

Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Aspekte Fernsehkonsum, Familienklima, kulturelle Orientierungen, sowie die Beurteilung von Geschlechterrollen anhand von Jugendlichen mit und ohne Migrationshintergrund einer wissenschaftlichen Überprüfung gegenüberzustellen. Die Untersuchung erfolgte mittels zwei Methoden-Design. Zunächst wurden mittels Fragebogen die oben genannten Aspekte, teilweise durch standardisierte Testverfahren, erhoben. Im zweiten Schritt wurden insgesamt vier Gruppen-diskussionen durchgeführt. Diese setzten sich aus jeweils einer Gruppe junger Frauen mit und ohne Migrationshintergrund und jeweils einer Gruppe junger Männer mit und ohne Migrationshintergrund zusammen. Kurz zusammengefasst ergab sich folgendes Bild: Jugendliche mit als auch ohne Migrationshintergrund sehen sowohl unter der Woche, als auch am Wochenende gerne und viel fern. Lieblingssendungen der Jugendlichen sind die Serien "Scrubs" und "Simpsons". Bei Jugendlichen mit Migrationshintergrund wurde eine stärkere kollektivistische Einstellung nachgewiesen, welche sich auch in Verbindung mit der Genrewahl "Entertainment" signifikant wiederspiegelt. Hinsichtlich des Fernsehkonsums allgemein zeigte sich, dass diejenigen Jugendlichen, die unter der Woche gar nicht fernsehen, knapp gefolgt von jenen die 4 Stunden und mehr fernsehen, die höchsten Kollektivismus-Werte aufweisen. Am Wochenende sind es diejenigen, die angeben mehr als 4 Stunden fernzusehen. Jugendliche ohne Migrationshinter-grund haben ein signifikant liberaleres Bild der Geschlechterrollen. Je konservativer dieses Bild ausfällt, desto eher wird viel ferngesehen (4 Stunden +) und auch hier bei der Genrewahl zu "Entertainment" gegriffen. Beim Familienklima zeigt sich, dass in Familien ohne Migrationshintergrund der Faktor "Offenheit" signifikant stärker ausge-prägt ist. In Familien mit Migrationshintergrund treten die Faktoren "Religiöse Orientie-rung" und "Kontrolle" signifikant häufiger in Erscheinung. Es zeigt sich, dass der Zu-sammenhalt in Familien, in denen wochentags wenig bis gar nicht ferngesehen wird, am höchsten eingeschätzt wird. Auch Offenheit und Selbstständigkeit sind in Familien, in denen wochentags gar nicht bzw. sehr wenig ferngesehen wird besonders stark ausge-prägt. Auffallend hoch ist die Konfliktneigung in Familien, in denen bis zu vier Stunden täglich ferngesehen wird und auch die „Kontrolle“ ist in Vielseher-Familien deutlich höher, als in Familien in denen gar nicht ferngesehen wird. Die religiöse Orientierung ist in Familien, in denen kaum bis gar nicht ferngesehen wird am schwächsten ausgeprägt

Two-dimensional materials and their prospects in transistor electronics

During the past decade, two-dimensional materials have attracted incredible interest from the electronic device community. The first two-dimensional material studied in detail was graphene and, since 2007, it has intensively been explored as a material for electronic devices, in particular, transistors. While graphene transistors are still on the agenda, researchers have extended their work to two-dimensional materials beyond graphene and the number of two-dimensional materials under examination has literally exploded recently. Meanwhile several hundreds of different two-dimensional materials are known, a substantial part of them is considered useful for transistors, and experimental transistors with channels of different two-dimensional materials have been demonstrated. In spite of the rapid progress in the field, the prospects of two-dimensional transistors still remain vague and optimistic opinions face rather reserved assessments. The intention of the present paper is to shed more light on the merits and drawbacks of two-dimensional materials for transistor electronics and to add a few more facets to the ongoing discussion on the prospects of two-dimensional transistors. To this end, we compose a wish list of properties for a good transistor channel material and examine to what extent the two-dimensional materials fulfill the criteria of the list. The state-of-the-art two-dimensional transistors are reviewed and a balanced view of both the pros and cons of these devices is provided

Simulation of 50-nm gate graphene nanoribbon transistors

An approach to simulate the steady-state and small-signal behavior of GNR MOSFETs (graphene nanoribbon metal-semiconductor-oxide field-effect transistor) is presented. GNR material parameters and a method to account for the density of states of one-dimensional systems like GNRs are implemented in a commercial device simulator. This modified tool is used to calculate the current-voltage characteristics as well the cutoff frequency fT and the maximum frequency of oscillation fmax of GNR MOSFETs. Exemplarily, we consider 50-nm gate GNR MOSFETs with N = 7 armchair GNR channels and examine two transistor configurations. The first configuration is a simplified MOSFET structure with a single GNR channel as usually studied by other groups. Furthermore, and for the first time in the literature, we study in detail a transistor structure with multiple parallel GNR channels and interribbon gates. It is shown that the calculated fT of GNR MOSFETs is significantly lower than that of GFETs (FET with gapless large-area graphene channel) with comparable gate length due to the mobility degradation in GNRs. On the other hand, GNR MOSFETs show much higher fmax compared to experimental GFETs due the semiconducting nature of the GNR channels and the resulting better saturation of the drain current. Finally, it is shown that the gate control in FETs with multiple parallel GNR channels is improved while the cutoff frequency is degraded compared to single-channel GNR MOSFETs due to parasitic capacitances of the interribbon gates

Технологические решения для строительства эксплуатационной наклонно-направленной скважины глубиной 3673 метров на Арчинском нефтегазоконденсатном месторождении (Томская область)

Цель работы – технологические решения для строительства наклонно-направленной скважины глубиной 3673 метров на Арчинском нефтегазоконденсатном месторождении. В процессе исследования в специальной части теоретически рассмотрели возможность качественного вскрытия продуктивных пластов на депрессии. В результате исследования Разработаны мероприятия по организации строительства, охране труда и окружающей среды. Степень внедрения: на аналитическом уровне.Purpose – technological solutions for the construction of directional well with a depth of 3673 meters Archinskoye oil and gas condensate field. In the process of research in special parts theoretically considered the possibility of qualitative opening of productive layers on depression. The study Developed measures for the organization of construction, occupational safety and the environment. Level of implementation: at the analytical level

Технологические решения для строительства эксплуатационной горизонтальной скважины глубиной 3100 метров на нефтяном месторождении Томской области

В общей и геологической части заданы стратиграфическая и литологическая характеристика разреза, свойства горных пород, изменения давления и температуры по разрезу скважины, нефтегазоводоносность. В технологической части представлены технологические решения для строительства скважины. Конструкция скважины состоит из направления, кондуктора, эксплуатационной колонны и хвостовика. Для бурения под направления выбран роторный способ, для остальных интервалов выбирается бурение винтовым забойным двигателем. Долота подобраны в зависимости от твердости и абразивности. Способ цементирования – прямой одноступенчатый. В специальной части описаны особенности заканчивания скважин в условиях аномально низких пластовых давлений.In the general and geological part, stratigraphic and lithological characteristics of the section, rock properties, changes in pressure and temperature along the borehole section, and oil and gas content are given. Technological solutions for the construction of the well are presented in the technological part. The well design consists of the direction, conductor, production string and shank. For drilling under directions, a rotary method is chosen, for the remaining intervals, drilling by a screw downhole motor is selected. Chisels are selected depending on hardness and abrasiveness. Cementing method - direct single-stage. A special section describes the features of completion of wells in conditions of abnormally low reservoir pressures

Автоматизация насосного агрегата системы водоснабжения

Объектом исследования является система управления асинхронного электропривода насоса. Цель работы – исследование системы скалярного управления асинхронного электропривода насоса в системе водоснабжения. В процессе исследования проводился расчет и построение нагрузочной характеристики, а также статических естественных и искусственных характеристик двигателя при изменении частоты питающего напряжения.The object of study is the control system of the asynchronous electric drive of the pump. The purpose of the work – study system, the scalar control of asynchronous electric drive of the pump in the water system. In the process of investigation the calculation and construction of load characteristics and static natural and artificial characteristics of the motor when changing the frequency of the supply voltage

Анализ эффективности работы водогрейных котлоагрегатов при сжигании непроектного топлива районной котельной г. Междуреченска

Цель работыэнтальпия – Представить расчет раздел работыражениям котельной на непроектное средня топливо. В процессе исследования оперативной проводилисьдействия: укрупненный расчетпринте котла, рас- чет выбросов, обрудвания расчетхолднг на экономический эффект. В социальня результате исследования выявлено, что при отпущен переходеколичество с проектного на непроектноетраку увеличится расход расход топливаподмсквный на котел, чуть создание улучшится экологич- ность водяных выбросовобрудвание.The purpose of robotically is to Provide a calculation section rabotadatel the boiler on the average non-design fuel. In the research process, operational probabilistically: simplified accetpance the boiler emission calculations, obrudovanija, rescheduling on economic effect. In social the result of the study revealed that when released periodicamente with the design on nephroectomy will increase consumption consumption toplivopotreblenija to the boiler, just create improve the sustainability of water wypracowanie