隧穿场效应管的特性分析及仿真开题报告

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（ 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 ＭＯＳＦＥＴ６０ ｍＶ ／ 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

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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=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。

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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 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 －ｂａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎ ｇ ｍｏｄｅｌ）。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 －Ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ Ｃｏｕ ｐ ｌｅｄ Ｓｃｈｒｏｄｉｎ ｇ ｅｒＰｏｉｓｓｏｎＭｏｄｅｌ ）。

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仿真中， 通过添加界面态和不加界面态得到两条Ｉ ｄ－ Ｖｇ曲线， 从而可以获得隧穿晶体管在加 ＰＢＴＩ应力前后电流Ｉ ｄ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， 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Ｉ ｄ－ 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 3.1-3.11 3.11-3.23 3.24-4.20 4.21-5.10 5.11-5.27 1 查资料，看书完成开题报告及准备工作 2 熟悉软件与程序 3 编程、调试，初步测试隧穿场效应管的特性 4 修改，完成设计 5 完成毕业论文及答辩

5．参考文献

[1]隧穿场效应晶体管和InGaAs场效应晶体管的可靠性研究焦广泛

[2]量子效应和小型化对隧穿晶体管特性的影响姚成军，黄大鸣，施道航，焦广泛

[3] 美科学家研制出新型隧穿场效应晶体管

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