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纳米MOS器件中的量子效应分析及其模拟

论文摘要

本课题描述了纳米体MOS器件中的量子隧穿效应和能量量子化效应的物理机制,用自洽求解薛定谔-泊松方程组的方法模拟了直接隧穿导致的栅隧穿漏电流和能级量子化导致的栅电容退化。采用基于自洽求解薛定谔-泊松方程组的量子修正方法,研究分布于量子化离散子能级上的载流子反型层电荷密度分布和栅极电压之间的关系。建立考虑了能量量子化对载流子分布影响的C-V特性的量子修正模型,并模拟预测了纳米MOS器件的C-V特性,模拟表明纳米MOS器件的栅电容显著退化。同时通过该量子修正方法,量子修正了栅极隧穿的解析结果,模拟预测了不同栅极和不同绝缘材料对栅隧穿漏电流的影响;模型的结果与长沟MOSFETs的实验结果和短沟MOSFETs的数值计算的结果吻合很好,从而验证了文中的分析;同时模拟结果也验证了高κ栅介质取代栅氧化物的优越性。本文对发展物理基础模型和充分诠释及模拟小尺寸MOS器件的研究提供有力的引导,为革新器件观念和纳米MOS时代的有创意的结构设计做了基础铺垫。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 论文结构
  • 第二章 纳米MOS器件的量子效应分析
  • 2.1 纳米MOSFET结构和特点
  • 2.1.1 纳米MOSFET体系机构
  • 2.1.2 纳米MOSFET特征和参数
  • 2.2 量子尺寸效应强电场的产生
  • 2.3 MOSFET中的量子隧穿效应
  • 2.3.1 MOSFET中的栅介质隧穿
  • 2.3.2 不同区域间的隧穿
  • 2.3.3 MOSFET中的带-带隧穿（BTBT）
  • 2.4 载流子能量量子化效应
  • 2.4.1 二维电子气和二维子带
  • 2.4.2 能级分裂
  • 第三章 能量量子化效应分析与模拟
  • 3.1 薛定谔-泊松方程组的自洽求解方法
  • 3.1.1 自洽求解薛定谔-泊松方程组流程
  • 3.1.2 数值模拟实例
  • 3.2 求解MOSFET的能量量子化效应
  • 3.2.1 自洽模拟能级量子化
  • 3.2.2 等效表面态密度
  • 3.3 栅电容退化的自洽模拟
  • 3.3.1 自洽模拟沟道载流子密度分布
  • 3.3.2 量子栅电容模型
  • 3.3.3 自洽模拟MOSFET的栅电容
  • 3.4 讨论和小结
  • 第四章 MOSFET量子隧穿效应分析与模拟
  • 4.1 MOSFET量子隧穿数学模型
  • 4.1.1 自洽模拟MOSFET超薄栅氧电子隧穿机制
  • 4.1.2 边界条件
  • 4.1.3 自洽模拟隧穿电流
  • 4.2 量子修正隧穿漏电流
  • 4.2.1 不同区域的隧穿电流模拟
  • 4.2.2 高κ栅介质的隧穿模拟
  • 4.2.3 多晶硅栅隧穿电流模拟
  • 4.3 新型纳米器件
  • 4.3.1 SOI MOS器件
  • 4.3.2 DG MOS器件
  • 4.4 讨论与小结
  • 第五章 结束语
  • 5.1 总结
  • 5.2 后续研究方向
  • 5.3 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 在学期间研究成果

    • 相关论文文献

    本文来源: https://www.lw50.cn/article/aa8540aac26cf7126b201407.html