Bei der Entwicklung moderner integrierter Schaltungen wird der Energieverbrauch immer stärker zur begrenzenden Größe. Beachtliche Schwierigkeiten für die Entwicklung neuer Technologien entstehen nicht aufgrund der Prozeß-Skalierung sondern durch die Verpackung und die Kühlung. Die große Nachfrage nach Schaltungen mit geringer Leistungsaufnahme und der stark wachsende Markt für tragbare elektronische Geräte steigert zunehmend den Bedarf an integrierten Schaltungen mit geringem Energieverbrauch. Um solche integrierten Schaltungen realisieren zu können ist eine Reduktion der internen Versorgungsspannung notwendig. Außerdem müssen die parasitären Effekte der Verbindungsstrukturen minimiert werden, da diese einen sehr wesentlichen Einfluß auf den Energieverbrauch haben.
Um die erforderliche Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, wenn die Versorgungsspannung reduziert wird, muß die Schwellspannung der Transistoren verringert werden. Daraus ergeben sich allerdings einige Schwierigkeiten sowohl für die verwendeten Technologien als auch für die Schaltungsentwicklung. So wird zum Beispiel der Rauschabstand in digitalen Schaltungen negative beeinflußt und die Leckströme nehmen stark zu. Doch auch bei analogen Schaltungen kommt es zu signifikanten Verschlechterungen, wenn niedrigere Versorgungsspannungen verwendet werden, wie zum Beispiel zu einem verkleinerten dynamischen Bereich und zu geringerer Steilheit, wenn der Transistor in schwacher Inversion betrieben wird. Auch die parasitären Effekte der Verbindungsstrukturen sind ein kritischer Punkt, da sie, abgesehen von ihrer Eigenschaft den Energieverbrauch zu erhöhen, auch eine der stärksten physikalischen Randbedingung für die Leistungsfähigkeit einer integrierten Schaltung darstellen. Der Grund dafür ist, daß Verzögerungszeit und maximale Taktfrequenz sehr stark von den Verbindungs-strukturen abhängen.
Die Fehlertoleranz in integrierten Schaltungen mit geringem Energieverbrauch ist daher so gering, daß jede Unsicherheit bei Bauelement- oder Schaltungsparametern die Leistungsfähigkeit eines tatsächlich gefertigten Chips dramatisch verschlechtern kann. Da für die Entwicklung von Schaltungen häufig Simulationen verwendet werden, ist der einzig gangbare Weg, um diese Probleme zu lösen, der Einsatz von sehr genauen Simulationswerkzeugen für die Analyse des Herstellungsprozesses und des Schaltungsverhaltens.
Aufgrund der Tatsache, daß konventionelle Schaltungsentwickungswerkzeuge nicht mehr ausreichen, das Schaltungsverhalten mit ausreichender Genauigkeit wiederzugeben, stellt diese Dissertation eine Simulationsumgebung vor, die ganz darauf ausgerichtet ist, höchste Genauigkeit zu erzielen. Es werden dabei ECAD Werkzeuge gemeinsam mit sehr genauen Simulatoren, wie sie im TCAD Bereich verwendet werden, eingesetzt. Aktive Bauelemente werden mit Bauelementsimulatoren charakterisiert und ein auf einem Tabellen-Modell basie-render Schaltungssimulator wird eingesezt, um Fehler, die durch Anpassungsparameter in Kompakt-Modellen entstehen würden, zu vermeiden. Mit Hilfe dreidimensionaler Kapazitäts- und Widerstandsextraktionssimulatoren werden parasitäre Effekte in Verbindungsstrukturen, die durch dreidimensionale Topographiesimulation gewonnen werden, quantifiziert.
Dadurch ist es möglich, Schaltungs- und Technologieparameter global zu optimieren und die beste Lösung für eine bestimmte Anwendung zu finden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine für eine Versorgungsspannung von 0.5 V geeignete Technologie entwickelt. Einige digitale und analoge Anwendungsbeispiele mit sehr geringem Energieverbrauch werden präsentiert, wie zum Beispiel ein neuartiger Operationsverstärker, der mit 0.5 V betrieben werden kann.