2007 年計算數學研討會 中山大學

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2007 年年年年年年年年 年年年年 Ren-Chuen Ch en 年年年 年年年年年年 O. Voskoboynikov 年年年 年年年年 Modeling and Simulation of Classical and Quantum Computer Devices Jen-Hao Chen 年年年 年年年年 Jinn-Liang Liu 年年年 年年年年

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2007 年計算數學研討會 中山大學. Ren-Chuen Chen 陳仁純 高雄師範大學 O. Voskoboynikov 霍斯科 交通大學. Modeling and Simulation of Classical and Quantum Computer Devices. Jen-Hao Chen 陳人豪 交通大學 Jinn-Liang Liu 劉晉良 高雄大學. Part 1. Classical Computer. Microprocessor. Microchips. MOSFET. MOSFET - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 2007 年計算數學研討會 中山大學

2007 年計算數學研討會中山大學

Ren-Chuen Chen 陳仁純

高雄師範大學

O. Voskoboynikov霍斯科

交通大學

Modeling and Simulation of Classical and Quantum Computer Devices

Jen-Hao Chen陳人豪交通大學

Jinn-Liang Liu 劉晉良高雄大學

Page 2: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Part 1. Classical Computer

Microchips Microprocessor

MOSFET

1or 0Either :Bit

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MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Page 4: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Semiconductor

A semiconductor is a material that can behave as a conductor or an insulator depending on what is done to it. We can control the amount of curre

nt that can pass through a semiconductor.

Kingfisher Science Encyclopedia

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Page 7: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Czochralski Crystal Growth

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12 吋矽晶圓

Sand Ingot Wafer Doping IC

Silicon IngotGold Ingots

Page 9: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Silicon Crystal

-

Si Si Si

Si

SiSi

Si

Si

Si

Shared electrons

Page 10: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Doping Impurities (n-Type)

Electron

-

Si Si Si

Si

SiSi

Si

Si

As

Extra

Valence band, Ev

Eg = 1.1 eV

Conducting band, Ec

Ed ~ 0.05 eV

Page 11: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Valence band, Ev

Eg = 1.1 eV

Conducting band, Ec

Ea ~ 0.05 eV

Electron

-

Si Si Si

Si

SiSi

Si

Si

B

Hole

Doping Impurities (p-Type)

Page 12: 2007 年計算數學研討會 中山大學

S. Roy and A. Asenov, Science 2005

3D, 30nm x 30nm

2003 L = 4 nm Research2005 L = 45 nm Production2018 L = 7 nm Production

MOSFET (Metal Oxide

Semiconductor Field Effect Transistor)

Page 13: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Gate Length: 90 nm (2005 In Production) (Device Size) 65 nm (2006 In Production) 34 nm (This Talk)

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Device SizesVs.Models

Page 15: 2007 年計算數學研討會 中山大學

n+ n+

p-

interfacelayer

junctionlayer

junctionlayer

gate contactsource contact drain contact

bulk contact

BC D

I J

E

A F

B’ E’

C’ D’

R.-C. Chen and J.-L. Liu, JCP 2005L=IJ=34nm

Quantum Corrected Energy Transport Model

Page 16: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Doping Concentration

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Physical Models

Drift diffusion model (3 PDEs)

Energy transport model

(5 PDEs)

Hydrodynamic Model

(7 PDEs)

Page 18: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Energy Transport Model

(2.5) ),(

(2.4) ),(

(2.3) ,

(2.2) ,

(2.1) ),(

0

0

p

ppp

n

nnn

p

n

DAS

p

n

R

R

NNpnq

EJS

EJS

J

J

• the electrostatic potential • n the electron concentration• p the hole concentration• J the current density• S the energy flux• E the electric field• R the generation-

recombination rate

nqDnq nnn J )()(

)(),(

00

2

TpTn

i

nnpp

nnpqpnR

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Auxiliary Relationships

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Density Gradient Theory (Bohm Quantum Potentials)

,2

,2

qp

qn

p

pb

n

nb

p

n

pqDpq

nqDnq

pqppp

nqnnn

)(

)(

J

J

Constant sPlanck' ,12/ *2 qmb nn

)10( ,12/ 34*2 Oqmb pp

Page 21: 2007 年計算數學研討會 中山大學

New Variables

nnp

Self-Adjoint Formulation

expexp 2n

T

qni

T

qnni u

Vn

Vnn

2expexp pT

qpi

T

qppi v

Vn

Vnp

i

nTqn unV

ln

2

i

pTqp vnV

ln

2

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Self-Adjoint DGET Model

(3.26) ,

(3.25) ,

(3.24) ,

(3.23) ,

(3.22) ,

(3.21) ,

(3.20) ,

p

n

pp

n

p

n

p

R

R

Z

Z

R

R

F

G

G

J

J

n

n

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Adaptive Algorithm

SolveSolve

Initial meshInitial mesh

Error > TOLError > TOL

Error EstimationError Estimation RefinementRefinement

Yes

Post-ProcessPost-Process

No

PreprocessingPreprocessing

Gummel outer iterationGummel outer iteration

Solve Poisson Eq.Solve Poisson Eq.

SolveSolve pnvu ,,,

Error > TOLError > TOL

pn gg ,

Yes

No

(3.26) ,

(3.25) ,

(3.24) ,

(3.23) ,

(3.22) ,

(3.21) ,

(3.20) ,

p

n

pp

n

p

n

p

R

R

Z

Z

R

R

F

G

G

J

J

n

n

Finite Element MethodMonotone IterationExponential Fitting

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The Final Adaptive Mesh

0 20 40 60 80 100

0

20

40

60

80

100

Transverse Distance (nm)

Dep

th (

nm)

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Electron Concentration

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Electron Temperature

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Hole Quantum Potential

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Electron Current Density

Page 31: 2007 年計算數學研討會 中山大學

Drain Current for MOSFET

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

VDS

(V)

I DS (

mA

/ m

)

ETDGDGET

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Conclusion

New Model (DGET, Self-Adjointness)

Better Approximation

Global Convergence (Monotone Iterative Method)

Efficiency

Easy Implementation