隧穿場(chǎng)效應(yīng)管的特性分析及仿真開題報(bào)告

1、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，國際上仍然缺乏了解。隨著超大規(guī)模集成電路（）的低功耗

2、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 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-

3、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)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

4、電流。word 文檔可自由復(fù)制編輯在理想狀態(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 ，Vd0V 時(shí)的能帶示意圖如圖 （ 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=

5、0V，Vg=Vd0V 時(shí)的能帶示意圖如圖 （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)。word 文檔可自由復(fù)制編輯nTFET 沿著水平溝道方向的能帶示意圖a）關(guān)態(tài)： Vs=Vg=0V ，Vd0b）開態(tài)： Vs=0V ，Vg=Vd0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)（即溝道垂直方向的能量量子化）3. 研究

6、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)word 文檔可自由復(fù)制編輯 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3.11-3.23編程、調(diào)試，初步測(cè)試隧穿場(chǎng)效應(yīng)管的3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5.11-5.275參考文獻(xiàn)1隧