单电子器件的电路模型

论文摘要

随着超大规模集成电路的发展,半导体器件的特征尺寸越来越小,数字集成电路的芯片集成度越来越高,半导体器件由微米级逐渐进入纳米级,量子效应对器件的影响越来越大,传统微电子技术的各个方面诸如器件结构、加工技术以及材料选用等都将会发生重大的变化。一些全新的量子和纳米电子器件诸如单电子器件,分子电子器件等纳米尺寸的新器件逐步成为人们研究的热点。单电子器件主要包括单电子晶体管和单电子存储器。单电子晶体管具有极小的尺寸、高速度、低功耗和多功能的特点,是目前MOS器件极有希望的替代者之一。单电子存储器通过控制单个或者几个电子实现信息的存储,具有极低的功耗和极小的尺寸,是实现高密度信息存储的一个重要方向。本文首先介绍了单电子器件的出现背景和基本理论,详细分析了单电子器件的结构类型和工作原理。并从量子力学的角度出发,推导出在库仑岛能级分立的条件下,单电子晶体管的电压-电流表达式。其次,利用等效电路的方法得到了单电子晶体管的宏模型,计算出在一定近似条件下的漏源电流,并用数值分析软件Matlab进行仿真,得到了不同参数下,单电子晶体管的栅控特性和漏源特性,根据结果分析了背景电荷和栅压对单电子晶体管阈值电压和I-V的影响。在此基础上提出了浮栅型硅量子点单电子存储器的集总电容电路模型,分别计算了单电子存储器在线性、饱和和亚阈值下的I-V曲线,结果表明硅量子点浮栅型单电子存储器可以在低阈值和高阈值时,准确的读取“读取”器件所存储的信息。证实了单电子器件具有集成度高、速度快、功耗低的性质,是一种性能优异的新型固体电子器件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 硅微电子技术的发展与现状
• 1.2 集成电路进一步发展将会遇到的问题
• 1.3 可能的解决方案
• 1.4 单电子学的研究综述
• 1.4.1 单电子器件的加工技术
• 1.4.2 单电子系统计算机数值模拟的研究
• 1.5 论文的意义及主要工作
• 第2章 单电子理论和单电子器件简介
• 2.1 单电子学基础
• 2.1.1 单电子学基本概念
• 2.1.2 添加能和充电能
• 2.1.3 库伦阻塞效应
• 2.1.4 隧穿结
• 2.2 几种重要的单电子器件
• 2.2.1 单电子盒（Single Electron Box）
• 2.2.2 单电子晶体管（Single Electron Transistor）
• 2.2.3 单电子存储器（Single Electron Memory）
• 2.3 单电子器件的应用
• 2.4 单电子器件的制备和加工技术
• 2.5 单电子器件与电路的数值模拟和仿真
• 2.5.1 主方程法（Master Equation）
• 2.5.2 蒙特卡罗法（Monte Carlo ）
• 2.6 小结
• 第3章 基于压控单元的单电子晶体管宏模型
• 3.1 纳米隧穿结
• 3.1.1 纳米隧穿结的电子隧穿率Γ
• 3.1.2 纳米隧穿结的电路模型
• 3.2 SET 的宏模型
• 第4章 浮栅型单电子存储器
• 4.1 单电子存储器的阈值偏移
• 4.2 单电子存储器的工作过程
• 4.3 单电子存储器的结构和电容耦合模型
• 4.4 浮栅型硅量子点单电子存储器电流-电压关系
• 4.5 仿真结果和讨论
• 4.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录