碳纳米管场效应管模型及电—热耦合效应研究

论文摘要

本硕士论文在对碳纳米管基本性质认识的基础上,对碳纳米管场效应管的建模仿真进行了研究,同时对碳纳米管互连和碳纳米管场效应管中的电-热耦合问题进行了理论分析。论文首先研究了金属性碳纳米管互连中的电-热耦合问题。通过推导金属性碳纳米管中电子的平均自由程,等效电阻等电学参数,得到温度对碳纳米管电学性质的影响,然后通过求解一维热传导方程,得到碳纳米管的温度分布,进而研究自热效应对碳纳米管互连的影响,包括对信号延时和信号噪声的影响。论文接着研究了碳纳米管场效应管的建模仿真,以及电-热耦合效应对其性能的影响。利用基于半经典输运的解析模型,对单壁和双壁碳纳米管场效应管进行了理论建模,通过仿真对它们的性能进行了对比,并对工艺设计提出了合理的建议。然后论文重点研究了碳纳米管场效应管中电-热耦合问题对器件性能的影响。通过对碳纳米管场效应管电流修正,将非平衡温度因素考虑进去,用有限差分方法求解热传导方程,论文首次用解析方法研究了自热效应对MOSFET型碳纳米管场效应管性能的影响,包括对电压-电流特性,信号延时以及截止频率的影响。通过这些研究,对碳纳米管场效应管新型有源器件的可靠性进行了评估,并与传统硅场效应管性能进行了对比。论文最后将这一电-热耦合模型推广到多沟道情形,并提出了研究思路,使碳纳米管场效应管电-热耦合问题的研究更加严谨和完整。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 纳米电子学研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究碳纳米管器件电-热问题的意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 碳纳米管概述
• 2.1 碳纳米管简介
• 2.2 碳纳米管基本性质
• 2.2.1 碳纳米管结构
• 2.2.2 碳纳米管的电学性质
• 2.3 碳纳米管互连及碳纳米管场效应管（CNTFET）
• 2.3.1 碳纳米管互连
• 2.3.2 碳纳米管场效应管
• 3 碳纳米管互连中的电-热耦合分析
• 3.1 碳纳米管互连的基本理论与概念
• 3.1.1 电子平均自由程
• 3.1.2 单壁碳纳米管的等效电阻
• 3.2 单根碳纳米管互连的电-热耦合效应分析
• 3.2.1 碳纳米管互连电-热耦合过程分析
• 3.2.2 热传导过程
• 3.2.3 电-热耦合求解过程
• 3.2.4 电-热耦合结果分析
• 3.3 碳纳米管阵列电-热耦合分析
• 3.3.1 碳纳米管阵列的热击穿
• 3.3.2 电-热效应对碳纳米管阵列信号延时的影响
• 3.3.3 电-热效应对碳纳米管阵列信号串扰的影响
• 4 碳纳米管场效应管（CNTFET）的建模仿真
• 4.1 CNTFET的NEGF模型
• 4.1.1 非平衡格林函数方法（NEGF）
• 4.1.2 CNTFET的NEGF建模
• 4.2 单壁CNTFET的半经典模型
• 4.2.1 单壁CNTFET的电路模型
• 4.2.2 单壁CNTFET电流源
• 4.2.3 单壁CNTFET电容
• 4.2.4 单壁CNTFET电阻
• 4.3 双壁碳纳米管场效应管半经典模型
• 4.3.1 双壁CNTFET的电路模型
• 4.3.2 双壁CNTFET电流源
• 4.3.3 双壁CNTFET电容
• 4.3.4 双壁CNTFET电阻
• 4.4 仿真结果及讨论
• 4.4.1 本征特性
• 4.4.2 掺杂效应对CNTFET性能的影响
• 4.4.3 屏蔽寄生效应对CNTFET性能的影响
• 4.4.4 22nm技术节点
• 5 碳纳米管场效应管（CNTFET）的电-热耦合分析
• 5.1 CNTFET模型
• 5.2 CNTFET电-热耦合模型
• 5.2.1 电子输运部分
• 5.2.2 热传导部分
• 5.2.3 自洽求解过程
• 5.3 仿真结果及讨论
• 5.3.1 温度分布
• 5.3.2 电流电压特性
• 5.3.3 信号延时
• 5.3.4 截止频率
• 5.4 结论
• 5.5 模型缺陷与改进
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历