隧穿晶体管和纳米线晶体管的模型与模拟

论文摘要

基于传统硅平面工艺的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的小型化已经接近其物理极限。在众多可能的替代者中,隧穿晶体管和纳米线晶体管因其优良的器件物理特性和可能实现的工艺制程,成为目前有力的竞争者。本论文研究了这两种器件的部分物理特性。论文第一章介绍了本工作的背景和意义。第二章首先介绍了纳米线晶体管的基本物理特性。随后建立了圆柱形纳米线晶体管的栅介质漏电二维隧穿模型,并与传统平面晶体管的栅介质隧穿特性作了比较,得出纳米线晶体管的栅极漏电流要小于平面栅晶体管,其减小量与栅氧化层厚度和纳米线半径有关。在此基础上,进一步提出量子修正。考虑沟道量子化带来的基态能级上升,以及器件坐标中各向异性有效质量导致的能谷简并破除,发现沟道变窄时的能谷竞争效应。进而运用量子修正的隧穿模型检验了硅、锗以及Ⅲ-Ⅴ族材料-铟镓砷合金作为纳米线晶体管沟道材料的漏电特性。第三章首先介绍了隧穿晶体管的基本物理特性,以及用于模拟带间隧穿的理论模型,然后探讨了在普通的P-I-N结构中插入一层N薄层带来的特性变化。通过详细的理论模拟得出结论,P-N-I-N隧穿晶体管不仅带来亚阂值摆幅的下降以及开启电流的增大,同时还有效地改善了隧穿晶体管的可靠性。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 纳米线晶体管简介
• 1.3 隧穿晶体管简介
• 1.4 本论文的主要研究工作及内容安排
• 第二章 纳米线晶体管的栅介质电学特性
• 2.1 纳米线晶体管的基本器件物理
• 2.2 环形栅中的二维隧穿模型
• 2.3 环形栅的曲率对降低电子隧穿概率的作用
• 2.4 沟道量子限制效应对栅介质隧穿的影响
• 2.5 栅极驱动电压的降低
• 2.6 纳米线晶体管的可靠性分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 隧穿晶体管的结构优化
• 3.1 隧穿晶体管的机理分析
• 3.1.1 隧穿晶体管的特性
• 3.1.2 隧穿模型分析
• 3.2 本章工作的背景介绍
• 3.3 器件结构和电场
• 3.4 界面陷阱的影响
• 3.5 尺寸起伏的效应
• 3.6 本章小结
• 第四章 总结
• 参考文献
• 附录Ⅰ TFET的Atlas模拟输入文件
• 附录Ⅱ 公式[2.2.6]的解析积分
• 附录Ⅲ 有效质量公式表
• 附录Ⅳ 2.4节物理模型推导
• 攻读硕士学位期间的论文发表情况
• 致谢