环栅肖特基势垒NMOSFET模型研究
发布时间：2020-11-12 09:18
为了进一步提高MOSFET的性能,除了引进各种新材料与新技术外,改进器件结构也是重要一环。在改进器件结构中,环栅和肖特基势垒源/漏结构器件是比较有潜力的两种备选方案,而将环栅和肖特基势垒源/漏结合起来的环栅肖特基势垒MOSFET,同时具备两种结构的优点,是近年来MOSFET领域具有潜力的器件之一。然而由于环栅肖特基势垒MOSFET结构和物理机制的复杂性,对其理论模型研究较少,往往以仿真和实验来研究其各种物理特性,理论模型方面匮乏。本文从环栅肖特基势垒NMOSFET的结构和物理机制出发,基于基本的器件物理方程,对阈值电压、漏致势垒减薄效应、漏源电流、跨导、电容和频率等物理和电学特性进行了较系统的研究,开展的主要研究工作和所取得的主要成果有:1.对环栅肖特基势垒NMOSFET的阈值电压和漏致势垒减薄效应分别进行了研究。在分析器件漏源电流产生的物理机制基础上,确认源端电子主要以场发射形式进入沟道时为阈值电压条件。将镜像力势垒降低效应和小尺寸径向量子化效应视作微扰项引入,利用求解圆柱坐标系下的二维泊松方程的方法,获取了环栅肖特基势垒NMOSFET的表面势分布。将最小表面势与阈值电压条件联系起来,以此为基础建立了阈值电压模型,并将阈值电压模型的仿真结果与Sentaurus TCAD仿真结果进行对比,验证了其合理性。同时,在阈值电压模型基础上建立了漏致势垒减薄效应模型。根据所得结果,分别分析了处于不同沟道长度下时,沟道长度、电子本征肖特基势垒高度、漏源电压、沟道半径、沟道掺杂浓度与阈值电压、漏致势垒减薄效应的关系及其物理机制,比较了环栅肖特基势垒NMOSFET的漏致势垒减薄效应和环栅掺杂源/漏NMOSFET的漏致势垒降低效应,获得了相应的演化规律。结果表明,环栅肖特基势垒NMOSFET的漏致势垒减薄效应低于环栅掺杂源/漏NMOSFET的漏致势垒降低效应。2.分别对环栅肖特基势垒NMOSFET的漏源电流和跨导进行了研究。在第二章2.2.1的分析器件漏源电流构成和影响因素以及第三章3.1.2的阈值电压基础上,从不同机制的电流方程和阈值电压出发,分别建立了基于电流机制和基于阈值电压的漏源电流模型。通过采用Sentaurus TCAD进行的仿真分析,验证了基于阈值电压的漏源电流模型相比基于电流机制的漏源电流模型有更高的精度。随后,在基于阈值电压的漏源电流模型基础上建立了相应的跨导模型。分别分析研究了电子本征肖特基势垒高度、偏置电压、沟道长度、沟道半径、沟道掺杂浓度与漏源电流、跨导的关系及其物理机制,其规律对器件的分析研究有重要价值。同时,将环栅肖特基势垒NMOSFET的漏源电流和跨导特性与环栅掺杂源/漏NMOSFET进行了结果比较。结果表明,环栅肖特基势垒NMOSFET的漏源电流和跨导高于环栅掺杂源/漏NMOSFET,决定环栅肖特基势垒NMOSFET漏源电流和跨导特性的一个重要因素是电子本征肖特基势垒高度,器件的源/漏应选取势垒高度较低的肖特基结。3.分别研究了环栅肖特基势垒NMOSFET的电容和频率特性。首先根据第四章4.2.3中的归一化反型电荷面密度模型建立了栅总电容和栅漏电容模型,然后结合跨导模型获得了截止频率和最高振荡频率模型,并通过Sentaurus TCAD仿真分析,验证了上述模型的可行性。基于频率特性的设计优化考虑,分别分析了电子本征肖特基势垒高度、栅源电压、漏源电压、沟道长度、沟道半径、沟道掺杂浓度对电容和频率特性的影响及其物理机制。同时,在相同条件下,分别比较了环栅肖特基势垒NMOSFET与环栅掺杂源/漏NMOSFET的电容和频率特性。结果表明,环栅肖特基势垒NMOSFET的电容和频率特性优于环栅掺杂源/漏NMOSFET,电子本征肖特基势垒高度是提升环栅肖特基势垒NMOSFET频率特性的重要因素。论文工作为环栅肖特基势垒NMOSFET的深入研究与分析奠定了理论基础。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 新型MOSFET结构
1.2.1 DSD SG MOSFET研究现状
1.2.2 SB MOSFET研究现状
1.2.3 SB-SG MOSFET研究现状
1.3 本论文主要工作内容
第二章 SB-SG NMOSFET基本结构和特性分析
2.1 DSD SG NMOSFET结构与特性分析
2.1.1 基本结构与工作原理
2.1.2 特征长度
2.1.3 小尺寸量子化效应
2.2 SB NMOSFET结构与特性分析
2.2.1 基本结构与工作原理
2.2.2 镜像力势垒降低效应
2.2.3 DIBT效应
2.2.4 小尺寸纵向量子化效应
2.2.5 特征长度
2.3 SB-SG NMOSFET结构与特性分析
2.3.1 基本结构与工作原理
2.3.2 特性分析
2.4 本章小结
第三章 SB-SG NMOSFET阈值电压和DIBT模型
3.1 阈值电压模型建立
3.1.1 表面势
3.1.2 阈值电压
3.2 阈值电压与模型参数关系
3.2.1 阈值电压与沟道长度
3.2.2 阈值电压与电子本征肖特基势垒高度
3.2.3 阈值电压与漏源电压
3.2.4 阈值电压与沟道半径
3.2.5 阈值电压与沟道掺杂浓度
3.3 DIBT效应模型建立
3.4 DIBT/L效应与模型参数关系
3.4.1 DIBT/L效应与电子本征肖特基势垒高度
3.4.2 DIBT/L效应与沟道长度
3.4.3 DIBT/L效应与漏源电压
3.4.4 DIBT/L效应与沟道半径
3.4.5 DIBT/L效应与沟道掺杂浓度
3.5 本章小结
第四章 SB-SG NMOSFET漏源电流和跨导模型
4.1 基于电流机制的漏源电流模型
4.2 基于阈值电压的漏源电流模型
4.2.1 基于阈值电压的表面势
4.2.2 表面和中心电势差
4.2.3 归一化反型电荷面密度
4.2.4 电子迁移率模型
4.2.5 沟道长度调制
4.2.6 基于阈值电压的漏源电流模型
4.3 漏源电流与模型参数关系
4.3.1 两种漏源电流模型与Sentaurus TCAD仿真结果对比
4.3.2 漏源电流与电子本征肖特基势垒高度
4.3.3 漏源电流与偏置电压
4.3.4 漏源电流与沟道长度
4.3.5 漏源电流与沟道半径
4.3.6 漏源电流与沟道掺杂浓度
4.4 跨导模型
4.5 跨导与模型参数关系
4.5.1 跨导与电子本征肖特基势垒高度
4.5.2 跨导与栅源电压
4.5.3 跨导与漏源电压
4.5.4 跨导与沟道长度
4.5.5 跨导与沟道半径
4.5.6 跨导与沟道掺杂浓度
4.6 本章小结
第五章 SB-SG NMOSFET电容和频率特性模型
GG和CGD模型'> 5.1 CGG和CGD模型
GG和CGD与模型参数关系'> 5.2 CGG和CGD与模型参数关系
gg和Cgd与电子本征肖特基势垒高度'> 5.2.1 Cgg和Cgd与电子本征肖特基势垒高度
gg和Cgd与栅源电压'> 5.2.2 Cgg和Cgd与栅源电压
gg和Cgd与漏源电压'> 5.2.3 Cgg和Cgd与漏源电压
gg和Cgd与沟道长度'> 5.2.4 Cgg和Cgd与沟道长度
gg和Cgd与沟道半径'> 5.2.5 Cgg和Cgd与沟道半径
gg和Cgd与沟道掺杂浓度'> 5.2.6 Cgg和Cgd与沟道掺杂浓度
5.3 SB-SG NMOSFET与DSD SG NMOSFET栅电容对比
5.4 频率特性模型
5.5 频率与模型参数关系
5.5.1 频率与电子本征肖特基势垒高度
5.5.2 频率与栅源电压
5.5.3 频率与漏源电压
5.5.4 频率与沟道长度
5.5.5 频率与沟道半径
5.5.6 频率与沟道掺杂浓度
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 论文的主要工作与成果
6.2 对进一步研究工作的考虑
致谢
参考文献
作者简介
1.基本情况
2.教育背景
3.攻读博士学位期间的研究成果
3.1 发表学术论文
3.2 参与科研项目及获奖
【参考文献】
本文编号：2880566
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 新型MOSFET结构
1.2.1 DSD SG MOSFET研究现状
1.2.2 SB MOSFET研究现状
1.2.3 SB-SG MOSFET研究现状
1.3 本论文主要工作内容
第二章 SB-SG NMOSFET基本结构和特性分析
2.1 DSD SG NMOSFET结构与特性分析
2.1.1 基本结构与工作原理
2.1.2 特征长度
2.1.3 小尺寸量子化效应
2.2 SB NMOSFET结构与特性分析
2.2.1 基本结构与工作原理
2.2.2 镜像力势垒降低效应
2.2.3 DIBT效应
2.2.4 小尺寸纵向量子化效应
2.2.5 特征长度
2.3 SB-SG NMOSFET结构与特性分析
2.3.1 基本结构与工作原理
2.3.2 特性分析
2.4 本章小结
第三章 SB-SG NMOSFET阈值电压和DIBT模型
3.1 阈值电压模型建立
3.1.1 表面势
3.1.2 阈值电压
3.2 阈值电压与模型参数关系
3.2.1 阈值电压与沟道长度
3.2.2 阈值电压与电子本征肖特基势垒高度
3.2.3 阈值电压与漏源电压
3.2.4 阈值电压与沟道半径
3.2.5 阈值电压与沟道掺杂浓度
3.3 DIBT效应模型建立
3.4 DIBT/L效应与模型参数关系
3.4.1 DIBT/L效应与电子本征肖特基势垒高度
3.4.2 DIBT/L效应与沟道长度
3.4.3 DIBT/L效应与漏源电压
3.4.4 DIBT/L效应与沟道半径
3.4.5 DIBT/L效应与沟道掺杂浓度
3.5 本章小结
第四章 SB-SG NMOSFET漏源电流和跨导模型
4.1 基于电流机制的漏源电流模型
4.2 基于阈值电压的漏源电流模型
4.2.1 基于阈值电压的表面势
4.2.2 表面和中心电势差
4.2.3 归一化反型电荷面密度
4.2.4 电子迁移率模型
4.2.5 沟道长度调制
4.2.6 基于阈值电压的漏源电流模型
4.3 漏源电流与模型参数关系
4.3.1 两种漏源电流模型与Sentaurus TCAD仿真结果对比
4.3.2 漏源电流与电子本征肖特基势垒高度
4.3.3 漏源电流与偏置电压
4.3.4 漏源电流与沟道长度
4.3.5 漏源电流与沟道半径
4.3.6 漏源电流与沟道掺杂浓度
4.4 跨导模型
4.5 跨导与模型参数关系
4.5.1 跨导与电子本征肖特基势垒高度
4.5.2 跨导与栅源电压
4.5.3 跨导与漏源电压
4.5.4 跨导与沟道长度
4.5.5 跨导与沟道半径
4.5.6 跨导与沟道掺杂浓度
4.6 本章小结
第五章 SB-SG NMOSFET电容和频率特性模型
GG和CGD模型'> 5.1 CGG和CGD模型
GG和CGD与模型参数关系'> 5.2 CGG和CGD与模型参数关系
gg和Cgd与电子本征肖特基势垒高度'> 5.2.1 Cgg和Cgd与电子本征肖特基势垒高度
gg和Cgd与栅源电压'> 5.2.2 Cgg和Cgd与栅源电压
gg和Cgd与漏源电压'> 5.2.3 Cgg和Cgd与漏源电压
gg和Cgd与沟道长度'> 5.2.4 Cgg和Cgd与沟道长度
gg和Cgd与沟道半径'> 5.2.5 Cgg和Cgd与沟道半径
gg和Cgd与沟道掺杂浓度'> 5.2.6 Cgg和Cgd与沟道掺杂浓度
5.3 SB-SG NMOSFET与DSD SG NMOSFET栅电容对比
5.4 频率特性模型
5.5 频率与模型参数关系
5.5.1 频率与电子本征肖特基势垒高度
5.5.2 频率与栅源电压
5.5.3 频率与漏源电压
5.5.4 频率与沟道长度
5.5.5 频率与沟道半径
5.5.6 频率与沟道掺杂浓度
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 论文的主要工作与成果
6.2 对进一步研究工作的考虑
致谢
参考文献
作者简介
1.基本情况
2.教育背景
3.攻读博士学位期间的研究成果
3.1 发表学术论文
3.2 参与科研项目及获奖
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 王晓艳;张鹤鸣;王冠宇;宋建军;秦珊珊;屈江涛;;漏致势垒降低效应对短沟道应变硅金属氧化物半导体场效应管阈值电压的影响[J];物理学报;2011年02期
2 汤晓燕;张义门;张玉明;;SiC肖特基源漏MOSFET的阈值电压[J];物理学报;2009年01期
3 栾苏珍;刘红侠;贾仁需;蔡乃琼;王瑾;;高k栅介质对肖特基源漏超薄体SOI MOSFET性能的影响[J];物理学报;2008年07期
4 王阳元;张兴;刘晓彦;康晋锋;黄如;;32nm及其以下技术节点CMOS技术中的新工艺及新结构器件[J];中国科学(E辑:信息科学);2008年06期
5 黄如;田豫;周发龙;王润声;王逸群;张兴;;适于纳米尺度集成电路技术的双栅/多栅MOS器件的研究[J];中国科学(E辑:信息科学);2008年06期
本文编号：2880566
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2880566.html
