Simulation of Circuits with Ferroelectric Capacitances

 
Gourary M.M., Zharov M.M. (IPPM RAS), Rassadin A.E. (Nizhny Novgorod Mathematical Society), Rusakov S.G., Ulyanov S.L. (IPPM RAS)
 
Abstract - One of the promising directions in Low Power researches is associated with ferroelectric materials whose effectiveness is based on the existence of two stable states and on the negative differential capacitance in charge-voltage characteristics. The advantages are usually exercised in chains comprising both ferroelectric and traditional nonlinear capacitances (e.g. MOSFET gate) which can contain floating nodes. The aim of the paper is capacitors models development providing analysis of ferroelectric circuits by any SPICE-like simulator. Separate models for standalone capacitors defined by “charge on voltage” and “voltage on charge” dependencies are proposed. Each model contains behavioral voltage source, unit capacitance and linear current-controlled current source. “Charge” terminal established in the models enables analyzing charge waveforms, setting charge initial conditions and using charge-controlled sources. For series connection of any number of nonlinear capacitors with floating nodes, the equivalent nonsingular subcircuit is presented. The subcircuit comprises the developed model of one standalone capacitor and behavioral voltage sources representing charge-voltage characteristics of other capacitors. Trapped charges in floating nodes can be taken into account by inserting independent voltage sources in the subcircuit. Similar subcircuit for star connection of arbitrary capacitors is described. SPICE-like simulations of some ferroelectric circuit configurations were performed to show the efficiency of the proposed approach. The first example demonstrates the switch of stable states in ferroelectric RC network. Two examples present analyses of NCFET input network: transient simulation of the discharge of the gate node under leakage resistor and AC simulation to show voltage amplification due to negative ferroelectric capacitance.

Keywords - circuit simulation, ferroelectric, negative capacitance, nonlinear capacitance, capacitance model, controlled sources, floating node

Моделирование схем с сегнетоэлектрическими емкостями

 
Гурарий М.М., Жаров М.М. (Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, г. Москва), Рассадин А.Э. (Нижегородское математическое общество, г. Нижний Новгород), Русаков С.Г., Ульянов С.Л. (Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, г. Москва)
 
Аннотация - При использовании симуляторов типа SPICE для моделирования сегнетоэлектрических схем возникают трудности из-за отрицательных значений дифференциальной емкостей и наличия плавающих узлов между емкостями. В статье предлагаются модели нелинейных емкостей в виде эквивалентных схем с заданными прямыми или обратными вольт-кулонными характеристиками. Дополнительный “зарядовый” вывод моделей, позволяет анализировать и инициализировать заряды емкостей, а также моделировать цепочки емкостей с плавающими узлами, в которых определены уровни захваченных зарядов. Предложенные подходы проиллюстрированы на ряде тестовых примеров.

Ключевые слова - схемотехническое моделирование, сегнетоэлектрики, отрицательная емкость, нелинейная емкость, модель емкости, управляемые источники, плавающий узел