隧穿場(chǎng)效應(yīng)管的特性分析及仿真開題報(bào)告

1、.蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）隧穿場(chǎng)效應(yīng)管的特性分析及仿真開題報(bào)告1. 選題的背景與意義隨著MOSFET尺寸的不斷縮小，器件的功耗問題和可靠性問題成為制約集成電路發(fā)展的重要因素。為了降低集成電路的功耗，隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFET）和InGaAs MOSFET成為了國(guó)際上的研究重點(diǎn)。與傳統(tǒng)Si MOSFET比較，TFET的室溫亞閾值擺幅可以突破60mV/decade的限制，InGaAs材料的電子遷移率大約比Si材料的電子遷移率高一個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然國(guó)際上對(duì)TFET和InGaAs MOSFET已經(jīng)做過很多研究工作，但是對(duì)上述器件的可靠性，國(guó)際上仍然缺乏了解。隨著超大規(guī)

2、模 集 成 電 路（ ） 的 低 功 耗 應(yīng) 用需求不斷增加， 具有柵控 結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ ） 的 應(yīng) 用 也 越 來 越 廣 泛， 其 閾 值 擺 幅 可以突 破 傳 統(tǒng) 的 下 限。 目前， 隧穿晶體管的研究主要集中在基本器件特性和制備技術(shù)， 特 別 是 利 用 新 材 料 和 結(jié) 構(gòu) 來 改 善 開啟電流， 最近還有一些關(guān)于其可靠性方面的研究報(bào)道。業(yè)界認(rèn)為，半導(dǎo)體工業(yè)正在快速接近晶體管小型化的物理極限?，F(xiàn)代晶體管的主要問題是產(chǎn)生過多的熱量。最新研究表明，TFET性能可與目前的晶體管相媲美，而且能效也較以往有所提高，有望解決上述過熱問題。2. 隧穿場(chǎng)效應(yīng)管工作原理在傳統(tǒng)MOSFET

3、中，載流子從源極越過pn結(jié)勢(shì)壘熱注入到溝道中。而隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Tunneling Field-Effect Transistor或者TFET）的工作原理是帶間隧穿（Band-to-band tunneling或者BTBT）。BTBT最早由Zener在1934年提出來。pn結(jié)在反偏狀態(tài)下，當(dāng)n區(qū)導(dǎo)帶中某些未被電子占據(jù)的空能態(tài)與p區(qū)價(jià)帶中某些被電子占據(jù)的能態(tài)具有相同的能量，而且勢(shì)壘區(qū)很窄時(shí)，電子會(huì)從p區(qū)價(jià)帶隧穿到n區(qū)導(dǎo)帶。下圖是一個(gè)型的雙柵結(jié)構(gòu)的Si TFET示意圖，其中tox表示柵介質(zhì)的厚度，tsi表示體硅的厚度。TFET是一個(gè)p+-i-n+結(jié)構(gòu)，i區(qū)

4、上方是柵介質(zhì)和柵電極。它通過柵極電壓的變化調(diào)制i區(qū)的能帶來控制器件的電流。在理想狀態(tài)下，一個(gè)p+區(qū)和n+區(qū)摻雜對(duì)稱的TFET在不同極性的柵極電壓偏置下可以表現(xiàn)出雙極性。所以對(duì)于n型TFET來說，p+區(qū)是源區(qū)，i區(qū)是溝道區(qū)，n+區(qū)是漏區(qū)。對(duì)于p型TFET來說，p+區(qū)是漏區(qū)，i區(qū)是溝道區(qū)，n+區(qū)是源區(qū)。漏極電壓用Vd表示，柵極電壓用Vs表示，柵極電壓用Vg表示。下面以nTFET為例，描述它的基本工作原理：（1） Vg=Vs=0V，Vd>0V時(shí)的能帶示意圖如圖1.2.2（a）所示。p+-i-n+結(jié)構(gòu)處于反偏狀態(tài)，但是源區(qū)勢(shì)壘寬度很寬，此時(shí)沒有帶間隧穿發(fā)生，nTFET處于關(guān)態(tài)。（2） Vs=0V

5、，Vg=Vd>0V時(shí)的能帶示意圖如圖1.2.2（b）所示。Vg使溝道的能帶降低，當(dāng)源區(qū)（p+區(qū)）的價(jià)帶高于溝道（i區(qū)）導(dǎo)帶而且勢(shì)壘變薄時(shí)，源區(qū)價(jià)帶的電子可以通過帶間隧穿進(jìn)入到溝道的導(dǎo)帶。此時(shí)nTFET處于開態(tài)。nTFET沿著水平溝道方向的能帶示意圖。（a）關(guān)態(tài)：Vs=Vg=0V，Vd>0。（b）開態(tài)：Vs=0V，Vg=Vd>0。隧穿晶體管中包含多種量子效應(yīng)， 第 一 種量子效應(yīng)是量子隧穿帶間隧穿， 國(guó)際上通常 利用 模型 來計(jì)算其隧穿幾率：其中， 表示隧穿電場(chǎng)， 和 是常數(shù)。另外， 還包括量子統(tǒng)計(jì)效應(yīng)（ 即費(fèi) 米狄 拉 克 統(tǒng) 計(jì)） 和 量 子 限 制效應(yīng) （ 即 溝 道 垂

6、 直 方 向 的 能 量 量 子 化）。3.研究方法利用公司的器件仿真軟件 進(jìn)行二維器件仿真， 量子隧穿模型采用非局域的帶間隧穿模型（ ）?？紤]量子限制效應(yīng)時(shí)， 使用自洽求解的薛定諤泊松方 程 模 型 （ ）。仿真中， 通過添加界面態(tài)和不加界面態(tài)得到兩條 曲線， 從而可以獲得隧穿晶體管在加 應(yīng)力前后電流 的退化量。仿真中， 界面態(tài)被均勻分布在禁帶中等間距的個(gè)能級(jí)上。另外， 由于軟件在計(jì)算隧穿晶體管電場(chǎng)時(shí)可以考慮量子限制效應(yīng)， 但在計(jì)算器件的 特性時(shí)無法包含量子限制效應(yīng)， 因此， 在研究量子限制效應(yīng)對(duì)隧穿晶體管 特 性 的 影 響 時(shí)， 在 對(duì) 電 場(chǎng) 和 界 面 態(tài) 的仿真中已經(jīng)考慮了量子限制效應(yīng)。4、工作進(jìn)度與安排設(shè)計(jì)（論文）各階段任務(wù)起 止 日 期1查資料，看書完成開題報(bào)告及準(zhǔn)備工作3.1-3.112熟悉軟件與程序3.11-3.233編程、調(diào)試，初步測(cè)試隧穿場(chǎng)效應(yīng)管的特性3.24-4.204修改，完成設(shè)計(jì)4.21-5.105完成畢業(yè)論文及答辯5.