Study of cryogenic temperature effects in 250 nm bulk cmos technology using a charge-based mosfet model Study of cryogenic temperature effects in 250 nm bulk cmos technology using a charge-based mosfet model Μελέτη κρυογενικών φαινομένων σε τεχνολογία 250 nm bulk cmos με τη χρήση μοντέλου φορτίου των mosfet Διπλωματική Εργασία Diploma Work 2025-10-012025enThis thesis investigates the behavior of MOS transistors at cryogenic temperatures, specifically targeting the modeling of NMOS and PMOS devices. The research is motivated by the interest in cryogenic electronics, particularly for quantum computing and ultra-low-noise applications, in which room-temperature models fail to accurately describe device behavior. The experimental basis of this work came through the collaboration between Prof. M. Bucher and CERN, in which a 250nm Bulk CMOS technology was used. The modeling procedure was conducted utilizing the ICCAP software for the variation of different lengths (5μm, 1μm, 280nm) and temperatures (300 K, 150 K, 70 K, 20 K) of both NMOS and PMOS. This model was augmented so as to match the cryogenic behavior observed from the data acquired, using a full measurement set including transfer characteristics (ID − VG), (ID − VS), transconductance (gm), and transconductance efficiency ((gmUT )/ID −ID) curves. Long, intermediate and shortchannel devices were scaled, allowing the extraction of critical parameters such as threshold voltage (VT H), subthreshold slope factor (n), specific current (I0), velocity saturation effect (λc), and their temperature scaling behavior. The model was based on the simplified EKV (SEKV) model, with the necessary modifications to provide a concise yet physics-based model of the MOSFET operation in weak, moderate, and strong inversion regions covering the full temperature range. The purpose is to show the challenges caused by incomplete dopant activation, mobility enhancement, and deviations in short-channel behavior at deep-cryogenic conditions.Αυτή η διατριβή διερευνά τη συμπεριφορά των MOS τρανζίστορ σε κρυογενικές θερμοκρασίες, στοχεύοντας συγκεκριμένα στη μοντελοποίηση συσκευών NMOS και PMOS. Η έρευνα υποκινείται από το ενδιαφέρον για την κρυογονική ηλεκτρονική, ιδιαίτερα για κβαντικούς υπολογισμούς και εφαρμογές εξαιρετικά χαμηλού θορύβου, στις οποίες τα μοντέλα θερμοκρασίας δωματίου δεν καταφέρνουν να περιγράψουν με ακρίβεια τη συμπεριφορά των συσκευών. Η πειραματική βάση της εργασίας προέκυψε από την συνεργασία του καθ. M. Bucher με το CERN, σε τεχνολογία Bulk CMOS 250 nm. Η διαδικασία μοντελοποίησης υλοποιήθηκε στο λογισμικό ICCAP, για διάφορα μήκη καναλιού (5 μm, 1 μm, 280 nm) και θερμοκρασίες (300K, 150 K, 70K, 20 K) σε NMOS και PMOS. Το μοντέλο προσαρμόστηκε ώστε να αναπαράγει την κρυογονική συμπεριφορά που παρατηρήθηκε στα δεδομένα, αξιοποιώντας πλήρες σετ μετρήσεων για χαρακτηριστικές μεταφοράς (ID − VG), χαρακτηριστικές εξάρτησης από VS (ID − VS), διαγωγιμότητα (gm) και αποδοτικότητα διαγωγιμότητας ((gmUT )/ID − ID). Πραγματοποιήθηκε κλιμάκωση για μακρύ, ενδιάμεσο και βραχύ κανάλι, επιτρέποντας την εξαγωγή κρίσιμων παραμέτρων όπως η τάση κατωφλίου (VT H), ο συντελεστής κλίσης υποκατωφλίου (n), το ρεύμα ενεργοποίησης (I0) και η παράμετρος κορεσμού ταχύτητας (λc) σε συνδυασμό με την εξάρτησή τους από τη θερμοκρασία. Tο μοντέλο βασίστηκε στο απλοποιημένο μοντέλο EKV (SEKV), με κατάλληλες τροποποιήσεις ώστε να παρέχει ένα συνοπτικό, αλλά βασισμένο στη φυσική, μοντέλο της λειτουργίας MOSFET σε ασθενείς, μέτριες και ισχυρές περιοχές αναστροφής για όλο το φάσμα θερμοκρασίας. Σκοπός είναι να καταδειχθούν οι προκλήσεις που προκαλούνται από την ατελή ενεργοποίηση των προσμίξεων, την ενίσχυση της κινητικότητας και τις αποκλίσεις στη συμπεριφορά μικρών καναλιών σε συνθήκες βαθιάς κρυογενικότητας.http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Πολυτεχνείο Κρήτης::Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών ΥπολογιστώνTzanetos_Evangelos_Dip_2025.pdfChania [Greece]Library of TUC2025-09-30application/pdf10.9 MBembargo Tzanetos Evangelos Τζανετος Ευαγγελος Bucher Matthias Bucher Matthias Balas Costas Μπαλας Κωστας Fasarakis Nikolaos Φασαρακης Νικολαος Πολυτεχνείο Κρήτης Technical University of Crete Bulk cmos Cryogenic temperatures Mosfet model Κρυογενικά φαινόμενα Μοντέλο φορτίου