石墨烯沟道铁电场效应晶体管电学性能的模拟

发布时间：2017-07-30 12:03

  本文关键词：石墨烯沟道铁电场效应晶体管电学性能的模拟

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【摘要】：铁电场效应晶体管(FeFET)作为最潜力的铁电存储器之一,因其具有非破坏性读取、高集成度、抗辐射等优点而受到研究者的广泛关注。目前,FeFET基本上都是采用硅沟道。铁电薄膜与硅界面存在严重的扩散等问题,使得FeFET的数据保持时间短。石墨烯与铁电材料接触良好,不存在扩散等问题。另外,石墨烯还具有尺寸小、迁移率高等特点,对实现高速高密度的存储器十分有利。可见在FeFET中,石墨烯是Si良好的替代者。本论文构建了石墨烯沟道铁电场效应晶体管(MFG-FET),建立了该晶体管电学性能模型,并研究了基底材料与铁电层相关参数对晶体管电学性能的影响。主要内容和结果如下:(1)考虑石墨烯的量子电容效应,基于铁电极化Lue模型和石墨烯量子输运模型,建立了MFG-FET器件电学性能模型。基于该模型,模拟了应用电压对MFG-FET器件C-V特性、存储窗口以及输出特性的影响。结果表明:对比传统Si沟道MFS-FET器件,MFG-FET具有更低的开态电流。MFG-FET器件的存储窗口较大,具有更好的存储性能。(2)根据建立的模型,研究了基底材料对MFG-FET器件电学性能的影响。结果表明:随着基底材料相对介电常数的减小,石墨烯沟道层费米速度呈现增大的趋势。随着石墨烯沟道层费米速度的增大,MFG-FET器件的低电容呈现逐渐减小的趋势而高电容保持不变,因此能够使得MFG-EFT高低电容之比增大。同时MFG-FET器件的开态电流呈现逐渐减小的趋势,这有利于降低MFG-FET器件的功耗。(3)根据建立的模型,研究了铁电层相关参数对MFG-FET器件电学性能的影响。结果表明:随着铁电层厚度的增加,MFG-FET器件的总电容呈减小的趋势、存储窗口呈现先增大后减小的趋势。铁电层厚度增大能够减小MFG-FET器件开态电流,从而降低器件的功耗。随着铁电层相对介电常数的增大,MFG-FET器件的高低总电容呈增大的趋势,存储窗口呈现逐渐减小的趋势。相对介电常数的减小能够适当降低器件功耗。当铁电层自发极化的增大,MFG-FET的存储窗口呈现逐渐减小的趋势。当铁电层剩余极化的增大时,MFG-FET的存储窗口呈现逐渐增大的趋势,同时其存储窗口能够更快的达到最大饱和值。
【关键词】：石墨烯 FeFET 量子电容 费米速度 存储窗口
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386;TQ127.11
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 场效应晶体管9-12
• 1.1.1 场效应晶体管的简介10-11
• 1.1.2 场效应晶体管原理的简介11-12
• 1.2 铁电场效应晶体管12-14
• 1.2.1 铁电场效应晶体管的发展历程13
• 1.2.2 铁电场效应晶体管各层材料的选择13-14
• 1.3 石墨烯沟道铁电场效应晶体管14-17
• 1.3.1 石墨烯材料晶体结构及电子能带结构14-16
• 1.3.2 石墨烯作为FeFET沟道层的优势16
• 1.3.3 石墨烯沟道铁电场效应晶体管的研究现状及存在问题16-17
• 1.4 选题依据和主要工作17-19
• 1.4.1 本文选题依据17
• 1.4.2 本文主要工作17-19
• 第2章 石墨烯沟道铁电场效应晶体管电学性能模型的建立与分析19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 石墨烯沟道铁电场效应晶体管基本模型的建立19-27
• 2.2.1 模型建立的基本思路和方法19-25
• 2.2.2 石墨烯沟道铁电场效应晶体管C-V特性模型25-26
• 2.2.3 石墨烯沟道铁电场效应晶体管输出特性模型26-27
• 2.3 石墨烯沟道铁电场效应晶体管电学性能的模拟27-29
• 2.3.1 石墨烯沟道铁电场效应晶体管C-V特性模拟27-29
• 2.3.2 石墨烯沟道铁电场效应晶体管输出特性模拟29
• 2.4 本章小结29-31
• 第3章 基底材料对石墨烯沟道铁电场效应晶体管电学性能的影响31-37
• 3.1 引言31
• 3.2 基底材料对石墨烯沟道层费米速度的调控31-33
• 3.3 基底材料对MFG-FET C-V特性的影响33-34
• 3.4 基底材料对MFG-FET输出特性的影响34-35
• 3.5 小结35-37
• 第4章 铁电层对石墨烯沟道铁电场效应晶体管电学性能的影响37-47
• 4.1 引言37
• 4.2 铁电层厚度对MFG-FET电学性能的影响37-40
• 4.2.1 铁电层厚度对MFG-FET C-V特性的影响37-38
• 4.2.2 铁电层厚度对MFG-FET存储窗口的影响38-39
• 4.2.3 铁电层厚度对MFG-FET输出特性的影响39-40
• 4.3 铁电层材料介电性能对MFG-FET电学性能的影响40-43
• 4.3.1 铁电层材料介电性能对MFG-FET C-V特性的影响40-42
• 4.3.2 铁电层材料介电性能对MFG-FET存储窗口的影响42
• 4.3.3 铁电层材料介电性能对MFG-FET输出特性的影响42-43
• 4.4 铁电层极化对MFG-FET存储窗口的影响43-45
• 4.4.1 铁电层自发极化对MFG-FET存储窗口的影响43-44
• 4.4.2 铁电层剩余极化对MFG-FET存储窗口的影响44-45
• 4.5 本章小结45-47
• 第5章 总结与展望47-49
• 5.1 论文总结47-48
• 5.2 研究展望48-49
• 参考文献49-55
• 致谢55-56
• 个人简历56
• 攻读硕士学位期间发表的论文及专利56

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