隧穿场效应管的特性分析及仿真开题报告

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1、苏州大学本科生毕业设计（论文）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

2、（ＶＬＳＩ）的低功耗应用需求不断增加，具有栅控ＰＩＮ结构的隧穿场效应晶体管（ＴＦＥＴ）的应用也越来越广泛，其阈值摆幅可以突破传统ＭＯＳＦＥＴ６０ｍＶ／ｄｅｃ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

3、中。而隧穿场效应晶体管（Tunneling Field-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4苏州大学本科

4、生毕业设计（论文）调制i区的能带来控制器件的电流。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，Vd>0V时的能带示意图如图1.2.2（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=0V，Vg=

5、Vd>0V时的能带示意图如图1.2.2（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。4苏州大学本科生毕业设计（论文）nTFET沿着水平沟道方向的能带示意图。（a）关态：Vs=Vg=0V，Vd>0。（b）开态：Vs=0V，Vg=Vd>0。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Ｋａｎｅ模型［６］来计算其隧穿几率：其中，Ｅ表示隧穿电场，Ａ和Ｂ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

6、沟道垂直方向的能量量子化）。3.研究方法利用Ｓｉｌｖａｃｏ公司的器件仿真软件Ａｔｌａｓ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（Ｎｏｎｌｏｃａｌｂａｎｄ－ｔｏ－ｂａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍｏｄｅｌ）。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（Ｓｅｌｆ－ＣｏｎｓｉｓｔｅｎｔＣｏｕｐｌｅｄＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒＰｏｉｓｓｏｎＭｏｄｅｌ）。4苏州大学本科生毕业设计（论文）仿真中，通过添加界面态和不加界面态得到两条Ｉｄ－Ｖｇ曲线，从而可以获得隧穿晶体管在加ＰＢＴＩ应力前后电流Ｉｄ的退化量。仿真中，界面态被均匀分布在Ｓｉ禁带中等间距的５个能级上。另外

7、，由于Ａｔｌａｓ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Ｉｄ－Ｖｇ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ＰＢＴＩ特性的影响时，在对电场Ｅｘ和界面态Ｎｉｔ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3.11-3.233编程、调试，初步测试隧穿场效应管的特性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]隧穿场效应晶体管和InGaAs场效应晶体管