新型纳米器件的性能研究与建模

发布时间：2017-03-18 18:00

  本文关键词：新型纳米器件的性能研究与建模，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：集成电路中半导体器件的尺寸依据摩尔定律的规律越来越小,而随着半导体器件尺寸的不断减小,会出现严重的Short Channel Effects (SCEs)短沟道效应和栅极泄漏电流急剧增大等不良后果,严重影响了器件的性能。为此,研究人员致力于探求一些新的办法,让器件尺寸能按照摩尔定律缩小的同时,又能改善和提高器件的性能。总的来说,对于Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor (MOSFET)金属-氧化物-半导体晶体管而言,可以从栅/栅介质工程,沟道工程,源／漏工程,新型的器件结构等四个角度来改善和提高MOSFET器件的性能。但MOSFET在室温下,其Subthreshold Swing (SS)亚阈值摆幅的理论极限值为60mV/dec。该极限值严重制约了MOSFET器件的功耗和泄漏电流的持续降低。为此,研究人员另辟蹊径,探讨出与MOSFET器件完全不同工作原理的Tunnel Field-Effect-Transistor (TFET)隧穿场效应晶体管,该器件的SS可以低于60mV/dec,因而TFET器件可以广泛应用于各种低功耗的场合。文中以Double Doping Polysilicon Gate (DDPG) MOSFET双掺杂多晶硅栅场效应晶体管和Double Gate (DG) TFET双栅隧穿场效应晶体管为研究对象,对两种新型纳米器件进行了性能研究和建模。首先,研究了DDPG MOSFET器件的瞬态特性,运用小信号等效电路Non-Quasi Static (NQS):非准静态模型,分析了DDPG MOSFET器件的寄生参数,Y参数以及本征参数；针对于已有的MOSFET器件电势模型,由于栅氧化层区的一维处理导致模型计算结果不准确。因此,本文对DDPG MOSFET器件的栅氧化层区进行二维考虑,基于半解析法,建立了DDPG MOSFET器件的二维半解析电势模型。DDPG MOSFET器件二维半解析电势模型的大致步骤为：建立DDPG MOSFET器件的坐标系,根据器件栅结构的特点,对栅氧化层区和沟道耗尽层区进行分区,并同时列出各个区的泊松方程和边界条件,求解出各个区含有待定系数的二维电势的通解。为求解出这些待定系数,则需运用各个区域衔接处的边界条件,对所得的各个区二维电势方程两端做特征函数展开,便可以得出含有待定系数的矩阵方程,将求出的系数代回通解方程,即得出栅氧化层区和沟道耗尽层区的电势。结果表明：该模型求解出的栅氧化层区电势分布沿着沟道方向是非线性的,即对栅氧化层区进行二维处理,能很好的解决电场连续的通过不同介质的边界的问题。基于DDPG MOSFET器件的表面势模型,运用热电子发射理论和漂移-扩散理论,计算出DDPG MOSFET器件的亚阈值电流。对于DG TFET器件的建模,同样依据其工作原理,将半解析法运用到该器件的电势求解中出。基于DG TFET器件的电势模型,运用Kane's求解出DG TFET器件的电流。由于DG TFET器件的隧穿结附近,存在着强电场,可能产生界面缺陷电荷。为此,文中分析了DG TFET器件的界面缺陷电荷效应,建立了含有移动电荷和界面缺陷电荷的DG TFET器件的电势模型,并求解了阈值电压。文中运用SILVACO软件,分别仿真了DDPG MOSFET器件的亚阈值电势、亚阈值电流、阈值电压以及DG TFET器件的电势、电流、阈值电压。并将软件仿真结果与模型计算结果进行了比对。结果表明,两种器件的模型都能很好的反映出各自器件的特性,并且精度比较高,运算量比较小,而且还避免了数值分析时各参数之间物理意义不够明确的不足。
【关键词】：半解析法 电势 电流 DDPG MOSFET DG TFET
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 纳米器件的发展现状9-14
• 1.1.1 新型纳米MOSFET器件的发展现状9-12
• 1.1.2 新型纳米TFET器件的发展现状12-14
• 1.2 纳米器件模型的研究现状14-20
• 1.2.1 纳米MOSFET器件模型的研究现状17-20
• 1.2.2 纳米TFET器件模型的研究现状20
• 1.3 半解析模型的理论依据20-21
• 1.4 本文的主体结构与内容安排21-23
• 第2章 DDPG MOSFET器件的射频特性研究23-36
• 2.1 DDPG MOSFET器件结构23-24
• 2.2 DDPG MOSFET器件的瞬态特性分析24-26
• 2.2.1 DDPG MOSFET器件的开关特性分析24
• 2.2.2 DDPG MOSFET器件的驱动能力分析24-26
• 2.3 DDPG MOSFET器件的小信号等效电路NQS模型26-28
• 2.4 结果分析与讨论28-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 DDPG MOSFET器件的电势模型及亚阈值电流分析36-59
• 3.1 DDPG MOSFET器件的电势模型36-51
• 3.1.1 基于抛物线的DDPG MOSFET电势模型36-40
• 3.1.2 基于半解析法的DDPG MOSFET电势模型40-51
• 3.2 DDPG MOSFET器件的亚闽值电流模型51-52
• 3.3 结果分析与讨论52-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第4章 DG TFET器件的电势模型及电流分析59-77
• 4.1 DG TFET的器件结构60-61
• 4.2 DG TFET器件的电势模型61-67
• 4.2.1 基于抛物线的DG TFET器件电势模型61-63
• 4.2.2 基于半解析法的DG TFET器件电势模型63-67
• 4.3 DG TFET器件的漏极电流模型67-69
• 4.4 结果分析与讨论69-75
• 4.5 本章小结75-77
• 第5章 DG TFET器件界面电荷效应的研究77-92
• 5.1 DG TFET的器件结构78-79
• 5.2 DG TFET器件的电势模型79-83
• 5.3 DG TFET器件的阈值电压模型83-84
• 5.4 结果分析与讨论84-91
• 5.5 本章小结91-92
• 第6章 总结92-94
• 6.1 本文总结92-93
• 6.2 对后续工作的展望93-94
• 参考文献94-114
• 致谢114-115
• 攻读学位期间发表的学术论文11

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本文编号：254784