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基于铁电场效应晶体管的基本门电路及灵敏放大器的TCAD模拟

发布时间:2018-05-29 11:48

  本文选题:铁电存储器 + 铁电场效应晶体管 ; 参考:《湘潭大学》2015年硕士论文


【摘要】:一直以来,MOS晶体管决定着电子集成电路领域的发展。随着空间探测技术的持续发展,对电子产品在辐照环境下的性能要求也越来越高,然而MOS晶体管在辐照环境下却表现出不可靠性。铁电场效应晶体管(FeFET)因为其具有结构简单、非挥发性、低功耗、可高速大密度存取、良好的抗辐射性能等优点而吸引了广大铁电爱好者的广泛研究,并有科学家预测它将取代传统MOS晶体管的主导地位。然而,铁电场效应晶体管仅仅是在存储器的应用方面得到一定的研究,为了奠定其作为逻辑器件在逻辑电路应用的基础促进其发展,建立其基本模型研究基本逻辑行为是非常有必要的。本论文利用器件仿真软件Sentaurus TCAD软件,以MFIS结构的铁电场效应晶体管(Fe FET)为研究对象,模拟和研究FeFET的电学性能,并在此基础上研究由FeFET构成的基本门电路和一种电流灵敏放大器的仿真,希望在FeFET应用于FeCMOS电路提供建设性的指导。具体工作概括如下:1.利用Sentaurus TCAD软件中的器件结构SDE模块和电学特性仿真Sentaurus Device模块,通过在物理模型添加铁电极化模型,并在材料模块中设置不同的铁电材料参数,模拟在某一参数变化,其他参数固定不变FeFET的P-V和I-V特性。结果表明:栅极电压、较大的漏源电压、铁电薄膜的厚度以及铁电薄膜的四个主要材料参数的变化影响FeFET的电压和电流的存储窗口。2.基于建立的FeFET单个器件的模型,模拟和分析FeFET的电压输出特性和电压传输特性。结果表明:(1)在VDS=VG-VTH时,FeFET能提供稳定的漏极电流,对于栅漏连接的铁电二极管做稳定的电流源具有一定的建设性指导;(2)FeFET能作为传输管用在电压的传输电路中,VG一定,即使在漏极电压VD=VG时,Vdrop=VD-VS,即该VG下,此时的电压降Vdrop即为FeFET的VTH,由于VTH与VG有关,不同VG,铁电极化强度不同从而导致VTH不同,所以Vdrop有些许不同。3.基于建立的FeFET单个器件的模型,提出和模拟了一种由铁电场效应晶体管构成的电流灵敏放大器,该放大器各组成部分均有N型FeFET和P型FeFET构成。通过仿真结果表明:在低工作电压下,灵敏放大电路能正确的读取铁电存储器存储单元中“0”和“1”的信息;同时也正是由于铁电场效应晶体管铁电层的铁电极化,导致输出电压不能准确的稳定在静态工作点下输出电压值的大小。同时,我们还对不同“0”和“1”存储单元电流大小的该灵敏放大器的放大能力进行了仿真。
[Abstract]:MOS transistors have been determining the development of electronic integrated circuits. With the continuous development of space exploration technology, the performance requirements of electronic products under irradiation environment are higher and higher. However, MOS transistors exhibit unreliability in irradiated environment. Because of its simple structure, non-volatile, low power consumption, high speed and large density access, and good radiation resistance, ferroelectric transistors have attracted a wide range of ferroelectric enthusiasts' research, because of their advantages such as simple structure, non-volatile, low power consumption, high speed and large density access, good radiation resistance and so on. And scientists predict it will replace the dominance of conventional MOS transistors. However, ferroelectric field effect transistors are only studied in the application of memory. In order to lay a foundation for the application of ferroelectric transistors in logic circuits, It is necessary to establish the basic model to study the basic logic behavior. In this paper, the device simulation software Sentaurus TCAD is used to simulate and study the electrical properties of FeFET by taking the ferroelectric field effect transistor (FET) of MFIS structure as the research object. On this basis, the basic gate circuit composed of FeFET and the simulation of a current-sensitive amplifier are studied. It is hoped that the application of FeFET in FeCMOS circuits will provide constructive guidance. The specific work is summarized as follows: 1. The device structure SDE module and the electrical characteristic simulation Sentaurus Device module are used in the Sentaurus TCAD software. By adding the iron electrode model into the physical model and setting different ferroelectric material parameters in the material module, the variation in a certain parameter is simulated. Other parameters fixed the P-V and I-V characteristics of FeFET. The results show that the change of gate voltage, large drain voltage, thickness of ferroelectric film and four main material parameters of ferroelectric film affect the storage window of voltage and current of FeFET. Based on the model of FeFET single device, the characteristics of voltage output and voltage transmission of FeFET are simulated and analyzed. The results show that FeFET can provide a stable drain current at VDS=VG-VTH, and it has a certain constructive guidance for a stable current source for ferroelectric diodes connected by gate drain. The FeFET can be used as a transmission tube in the voltage transmission circuit. Even when the drain voltage is VD=VG, the voltage drop Vdrop is the VTHs of FeFET. Because the VTH is related to VG and different VGs, different iron polarization intensity leads to different VTH, so Vdrop is slightly different. 3. Based on the model of a single FeFET device, a current-sensitive amplifier composed of ferroelectric field effect transistors is proposed and simulated. Each component of the amplifier is composed of N-type FeFET and P-type FeFET. The simulation results show that the sensitive amplifier can correctly read the information of "0" and "1" in the ferroelectric memory cell at low operating voltage, and it is also due to the ferroelectrode of the ferroelectric layer of the ferroelectric field effect transistor. The output voltage cannot be accurately stabilized at the static operating point. At the same time, we simulate the amplification ability of the sensitive amplifier with different current sizes of "0" and "1" memory cells.
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN386;TN722

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