一种源端由InAs材料掺杂的双栅隧穿场效应晶体管的研究

发布时间：2017-03-26 00:03

  本文关键词：一种源端由InAs材料掺杂的双栅隧穿场效应晶体管的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：隧穿场效应晶体管(TFET)是作为传统的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的潜在替代者所提出来的,其工作机制为带带隧穿,这与MOSFET器件的载流子漂移-扩散(drift-diffusion)机制截然不同。从TFET器件的工作原理来看,该器件的驱动电流与温度的关系并不是指数关系,因此亚阈值电流不受限制于热载流子的热分布,故它能成功打破MOSFET器件6OmV/dec的亚阈值斜率(S S:sub-threshold swing)的限制,从而减小了器件的关态电流,降低器件开启电压的同时也使器件的静态功耗得到降低。然而TFET器件存在驱动电流低和双极效应的问题,而且目前对于TFET器件交流特性的研究也有待进一步深入。针对其不足,本文主要研究了一种把InAs作为源端材料的新型双栅隧穿场效应晶体管(InAsDGTFET),研究具体内容主要包括该器件的直流电学特性、交流特性及其稳定性。本文首先在TCAD-ATLAS软件中建立了InAsDGTFET器件的结构,并利用该软件对该器件的直流电学特性进行了仿真并把仿真结果与传统DGTFET器件作了对比分析。通过优化InAsDGTFET器件的结构参数,最终仿真得到的驱动电流高达109×10-3A/μm,开关比可以达到1010而远高于106。此外软件仿真获得的的SS为3OmV/decade左右,这也远远打破了MOSFET的SS不能小于6OmV/dec的弊端。本文同样研究了包括源端、漏断和沟道在内的有源区的掺杂浓度,栅功函数以及体硅厚度的变化对器件性能的影响。结果发现：源端的掺杂浓度越大,驱动电流越大而且阈值电压Vth和SS都会越来越小,漏端的掺杂浓度主要影响器件的双极性,而沟道连接了源端和漏端,因此沟道的掺杂对于驱动电流和关态电流都有影响。随着栅功函数的降低,驱动电流不断变大,但是考虑到栅功函数低于某个值时,未加栅压时器件有可能已经有隧穿发生,因此不能为了更大的隧穿电流而使得栅功函数无限降低。最后,随着体硅厚度Tsi的逐渐递增,该器件的隧穿电流也在逐渐减小。最后,研究了InAsDGTFET器件的交流特性和稳定性。在建立了一种n型非准静态小信号等效电路模型的基础上,在该器件中分离出了隧穿电阻(Rt)和沟道电阻(R。)。之后,研究了InAsDGTFET的射频特性,主要讨论了栅电容Cgd、Cgs、Cgg随着外加电压的变化规律以及得出了两个频率fT和fmax可以达到的值及其变化规律,通过计算所研究器件的稳定因子,来研究该器件是否可以无条件的保持稳定状态。最后,当频率高达约300GHz时,从模型和仿真中得到的Y参数依然保持一致。结果表明：InAsDGTFET可以被应用到射频领域,而且可以在一定条件下保持稳定。
【关键词】：隧穿场效应晶体管 亚阈值斜率 驱动电流 等效电路 隧穿电阻
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 TFET的发展历史9-12
• 1.2 TFET器件的工作原理12-13
• 1.3 TFET发展面临的挑战13-15
• 1.4 本文主要内容15-16
• 第二章 InAsDGTFET基本结构和SILVACO-ATLAS模型16-22
• 2.1 SILVACO-ATLAS仿真软件16-20
• 2.2 InAsDGTFET结构和参数20-21
• 2.3 所用仿真模型介绍21-22
• 第三章 InAsDGTFET器件的直流特性及其优化22-35
• 3.1 InAsDGTFET的驱动电流22-25
• 3.2 InAsDGTFET的I_(ON)/I_(OFF)和亚阈值斜率25-28
• 3.3 器件参数优化28-33
• 3.3.1 有源区掺杂浓度28-31
• 3.3.2 栅功函数31-32
• 3.3.3 体硅厚度32-33
• 3.4 本章小结33-35
• 第四章 InAsDGTFET器件的交流特性35-50
• 4.1 交流小信号模型35-40
• 4.2 隧穿和沟道电阻研究40-42
• 4.3 InAsDGTFET的射频特性及其稳定性研究42-48
• 4.3.1 电容42-43
• 4.3.2 频率43-46
• 4.3.3 稳定性46-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第五章 总结与展望50-52
• 5.1 本文总结50-51
• 5.2 对后续工作的展望51-52
• 参考文献52-55
• 附图55-57
• 致谢57-58
• 攻读硕士学位期间发表的论文58

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本文编号：267956