Impact des Paramètres Physiques et Technologiques sur les Performances Electriques des GAA Transistors.

Abstract

This thesis presents a numerical study of the main parameters affecting the electrical performance of Gate-All-Around Nanowire Field-Effect Transistors (GAA NWFETs), with particular emphasis on the drain current behavior . The simulations carried out enabled the investigation of the influence of physical, geometrical, and electrostatic parameters on carrier transport mechanisms within the nanoscale channel. The obtained results demonstrate that increasing temperature causes a progressive reduction in the drain current due to carrier mobility degradation induced by electron–phonon interactions and enhanced thermal scattering effects. In contrast, higher carrier mobility significantly improves transistor performance by facilitating electron transport and minimizing resistive losses inside the channel. The study also reveals the strong dependence of on nanowire dimensions. Increasing the nanowire thickness or radius leads to a substantial enhancement of the drain current as a result of the enlarged conductive cross-sectional area and the reduction of quantum confinement effects. Conversely, increasing the channel length decreases the drain current because of higher ohmic losses and reduced carrier transport efficiency. Furthermore, reducing the oxide thickness and increasing the oxide capacitance considerably improve the electrostatic gate-to-channel coupling, thereby enhancing inversion layer formation and increasing the saturation current. In addition, the use of high-permittivity dielectric materials together with a low threshold voltage provides superior electrostatic control over the channel and significantly enhances device performance. Overall, the results confirm that the simultaneous optimization of geometrical and electrostatic parameters is essential for improving GAA NWFET performance and demonstrate the strong potential of these devices for future advanced nanoelectronic applications. ----------------------------------------------------------------------------- تقدم هذه الرسالة دراسة عددية للمعلمات الرئيسية المؤثرة على الأداء الكهربائي لترانزستورات تأثير المجال ذات الأسلاك النانوية المحاطة بالبوابة من جميع الجهات (GAA NWFETs)، مع التركيز بشكل خاص على سلوك تيار المصرف (I_{ds}). وقد أتاحت عمليات المحاكاة المنجزة دراسة تأثير المعلمات الفيزيائية والهندسية والكهروستاتيكية على آليات نقل الحوامل داخل القناة النانوية. وتُظهر النتائج المتحصل عليها أن ارتفاع درجة الحرارة يؤدي إلى انخفاض تدريجي في تيار المصرف نتيجة تدهور حركية الحوامل الناجم عن تفاعلات الإلكترون–فونون وتعاظم ظواهر التبعثر الحراري. وعلى العكس من ذلك، فإن الزيادة في حركية الحوامل تؤدي إلى تحسين ملحوظ في أداء الترانزستور من خلال تسهيل انتقال الإلكترونات وتقليل الفواقد المقاومية داخل القناة. كما تكشف الدراسة عن الاعتماد القوي لتيار المصرف (I_{ds}) على أبعاد السلك النانوي، حيث إن زيادة سُمك السلك النانوي أو نصف قطره تؤدي إلى تعزيز كبير في تيار المصرف نتيجة ازدياد مساحة المقطع الناقل وتقليل تأثيرات الحصر الكمي. في المقابل، فإن زيادة طول القناة تؤدي إلى انخفاض تيار المصرف بسبب ارتفاع الفواقد الأومية وتراجع كفاءة نقل الحوامل. علاوة على ذلك، فإن تقليل سُمك طبقة الأكسيد وزيادة سعة الأكسيد يسهمان بشكل كبير في تحسين الاقتران الكهروستاتيكي بين البوابة والقناة، مما يعزز تشكل طبقة الانعكاس ويرفع قيمة تيار الإشباع. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مواد عازلة ذات سماحية كهربائية مرتفعة مع جهد عتبة منخفض يوفر تحكماً كهروستاتيكياً فائقاً بالقناة ويحسن أداء الجهاز بصورة ملحوظة. وبصفة عامة، تؤكد النتائج أن التحسين المتزامن للمعلمات الهندسية والكهروستاتيكية يُعد، أمراً أساسياً للارتقاء بأداء ترانزستورات GAA NWFET كما تبرز الإمكانات الواعدة لهذه البنى في تطبيقات النانو إلكترونيات المتقدمة مستقبلاً. ---------------------------------------------------------------------------- Ce mémoire présente une étude numérique des principaux paramètres influençant les performances électriques d’un transistor à nanofil de type Gate-All-Around (GAA NWFET), en mettant l’accent sur le comportement du courant de drain. Les simulations effectuées ont permis d’analyser l’effet des paramètres physiques, géométriques et électrostatiques sur les mécanismes de conduction dans le canal nanométrique. Les résultats montrent que l’augmentation de la température entraîne une diminution progressive du courant de drain en raison de la dégradation de la mobilité des porteurs causée par les interactions phonon-électron et les phénomènes de diffusion thermique. À l’inverse, une mobilité électronique élevée améliore significativement les performances du transistor en favorisant le transport des électrons et en réduisant les pertes résistives dans le canal. L’étude met également en évidence l’influence importante des dimensions du nanofil. L’augmentation de l’épaisseur ou du rayon du nanofil conduit à une hausse notable de , grâce à l’élargissement de la section conductrice et à la diminution des effets de confinement quantique, tandis qu’une augmentation de la longueur du canal réduit le courant en raison des pertes ohmiques accrues. Par ailleurs, la réduction de l’épaisseur de l’oxyde et l’augmentation de la capacité d’oxyde améliorent fortement le couplage électrostatique grille-canal, ce qui favorise la formation de la couche d’inversion et augmente le courant de saturation. Enfin, l’utilisation de diélectriques à forte permittivité relative et une faible tension de seuil permettent d’obtenir un meilleur contrôle électrostatique du canal et des performances électriques supérieures, confirmant ainsi le fort potentiel des GAA NWFET pour les futures applications nanoélectroniques avancées.