隧穿场效应管的特性分析及仿真开题报告

1、隧穿场效应管的特性分析及仿真开题报告1. 选题的背景与意义随着 MOSFET 尺寸的不断缩小， 器件的功耗问题和可靠性问题成为制约集 成电路发展的重要因素。为了降低集成电路的功耗，隧穿场效应晶体管 （TFET）和InGaAs MOSFET成为了国际上的研究重点。与传统 Si MOSFET 比较， TFET 的室温亚阈值摆幅可以突破 60mV/decade的限制， InGaAs材 料的电子迁移率大约比 Si 材料的电子迁移率高一个数量级。 虽然国际上对 TFET 和 InGaAs MOSFET 已经做过很多研究工作， 但是对上述器件的可靠 性，国际上仍然缺乏了解。随着超大规模集成电路（）的低功耗

2、应用需求不断增加，具有栅 控结构的隧穿场效应晶体管（）的应用也越来越广泛，其 阈值摆幅可以突破传统的下限。目前，隧 穿晶体管的研究主要集中在基本器件特性和制备技术，特别是利用新材料 和结构来改善开启电流，最近还有一些关于其可靠性方面的研究报道。 业界认为，半导体工业正在快速接近晶体管小型化的物理极限。现代晶体 管的主要问题是产生过多的热量。最新研究表明， TFET 性能可与目前的 晶体管相媲美，而且能效也较以往有所提高，有望解决上述过热问题。2. 隧穿场效应管工作原理在传统 MOSFET 中，载流子从源极越过 pn 结势垒热注入到沟道中。而隧 穿场效应晶体管（ Tunneling Field-

3、Effect Transistor 或者 TFET）的工作原理 是带间隧穿（ Band-to-band tunneling或者 BTBT ）。 BTBT 最早由 Zener 在 1934年提出来。 pn结在反偏状态下， 当n区导带中某些未被电子占据的空 能态与 p 区价带中某些被电子占据的能态具有相同的能量，而且势垒区很 窄时，电子会从 p 区价带隧穿到 n 区导带。下图是一个型的双栅结构的 Si TFET 示意图，其中 tox 表示栅介质的厚度， tsi 表示体硅的厚度。 TFET 是一个 p+-i-n+结构， i 区上方是栅介质和栅电极。它通过栅极电压的变化 调制 i 区的能带来控制器件的

4、电流。word 文档可自由复制编辑在理想状态下，一个 p+区和 n+区掺杂对称的 TFET 在不同极性的栅极电压 偏置下可以表现出双极性。 所以对于 n型TFET来说，p+区是源区， i 区是 沟道区， n+区是漏区。对于 p型 TFET 来说， p+区是漏区， i区是沟道区， n+区是源区。漏极电压用 Vd 表示，栅极电压用 Vs 表示，栅极电压用 Vg 表示。下面以 nTFET 为例，描述它的基本工作原理：（1）Vg=Vs=0V ，Vd0V 时的能带示意图如图 （ a）所示。 p+-i-n+结 构处于反偏状态，但是源区势垒宽度很宽，此时没有带间隧穿发生， nTFET 处于关态。（2）Vs=

5、0V，Vg=Vd0V 时的能带示意图如图 （b）所示。 Vg 使沟 道的能带降低，当源区（ p+区）的价带高于沟道（ i 区）导带而且势 垒变薄时， 源区价带的电子可以通过带间隧穿进入到沟道的导带。 此 时 nTFET 处于开态。word 文档可自由复制编辑nTFET 沿着水平沟道方向的能带示意图a）关态： Vs=Vg=0V ，Vd0b）开态： Vs=0V ，Vg=Vd0隧穿晶体管中包含多种量子效应，第一种量子效应是量子隧穿带间隧穿，国际上通常利用模型来计算其隧穿几率：其中，表示隧穿电场，和是常数另外，还包括量子统计效应（即费米狄拉克统计）和量子限制效应（即沟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软件进行二维器件仿真，量 子隧穿模型采用非局域的带间隧穿模型（ ） 。考虑量子限制效应时，使用自 洽求解的薛定谔泊松方程模型（ ） 。 仿真中，通过添加界面态和不加界面态得到两条曲线，从而可以 获得隧穿晶体管在加应力前后电流的退化量。仿真中，界面态word 文档可自由复制编辑 被均匀分布在禁带中等间距的个能级上。另外，由于软件 在计算隧穿晶体管电场时可以考虑量子限制效应，但在计算器件的 特性时无法包含量子限制效应，因此，在研究量子限制效应对隧穿晶体管 特性的影响时，在对电场和界面态的仿真中已经考虑了 量子限制效应。4、工作进度与安排设计（论文）各阶段任务起止日期1查 资料，看书完成开题报告及准备工作3.1-3.112熟 悉软件与程序3.11-3.23编程、调试，初步测试隧穿场效应管的3特 性3.24-4.204修 改，完成设计4.21-5.105完 成毕业论文及答辩5.11-5.275参考文献1隧