纳米级场效应晶体管建模与结构优化研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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靳晓诗，刘溪 著

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• 纳米场效应晶体管
• 纳米器件
• 器件建模
• 结构优化
• 半导体
• TCAD仿真
• 纳米技术
• 电子工程
• 材料科学
• 集成电路

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302477792

版次：1

商品编码：12256916

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-10-01

用纸：胶版纸

页数：252

字数：375000

正文语种：中文

编辑推荐

作者以自己近年来在国际期刊上所发表的学术论文为基础，经过系统的整理，建立了一套适用于纳米级场效应晶体管寄生电容模型的工作机理模型，并提出了一套适用于纳米级无结晶体管的结构优化方案。望本书能对有兴趣致力于新型纳米级场效应晶体管研究的广大科研工作者有参考作用。

内容简介

本书是对作者在纳米级场效应晶体管领域科研学术成果的系统性论述，具体内容包括纳米级场效应晶体管寄生电容模型、传统纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管机理模型、新兴无结型场效应晶体管机理模型以及无结型场效应晶体管的结构优化。在建模的过程中，充分考虑了器件的具体结构和掺杂浓度等参数对器件工作特性的影响，系统地建立了具有双栅、围栅等多栅结构的纳米级场效应晶体管的机理模型体系，并给出了深纳米级尺度下新兴无结场效应晶体管的优化方案。
本书可供材料、电子、精密仪器等专业科研和工程技术人员参考使用。

目录

目 录

第1章 绪论 1
1.1 CMOS超大规模集成电路技术发展与现状分析 1
1.2 内容概述 12
第2章 纳米级MOSFETs的寄生电容模型 15
2.1 过往亚微米级寄生电容模型回顾 15
2.1.1 概述 15
2.1.2 几种常见的寄生电容模型介绍 18
2.2 考虑源漏接触电极影响的深亚微米寄生电容模型 27
2.2.1 概述 27
2.2.2 栅极侧壁电容 (Cside) 28
2.2.3 栅极顶部电容与总寄生电容 36
2.3 基于精准边界条件的全解析寄生电容模型 41
2.3.1 概况 41
2.3.2 栅极侧壁电容 42
2.3.3 栅极顶部电容与总寄生电容 47
第3章 纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管模型 51
3.1 平面单栅极体硅金属氧化物半导体场效应晶体管模型 51
3.1.1 能带理论 51
3.1.2 一个平面金属氧化物半导体电容器的标准模型 57
3.1.3 一个平面单栅极金属氧化物半导体场效应晶体管器件的标准模型 62
3.2 长沟道未掺杂双栅金属氧化物半导体场效应晶体管漏源电流模型 64
3.2.1 概述 64
3.2.2 结构与模型 65
3.2.3 模型验证 69
3.3 长沟道掺杂双栅金属氧化物半导体场效应晶体管漏源电流模型 70
3.3.1 概述 70
3.3.2 结构与模型 71
3.3.3 模型验证 73

3.4 短沟道双栅金属氧化物半导体场效应晶体管亚阈值伏安特性模型 77
3.4.1 概述 77
3.4.2 结构与模型 77
3.4.3 模型验证 81
3.5 非对称短沟道双栅金属氧化物半导体场效应晶体管建模 84
3.5.1 概述 84
3.5.2 结构与模型 85
3.5.3 模型验证 88
3.6 长沟道掺杂围栅金属氧化物半导体场效应晶体管模型 92
3.6.1 概述 92
3.6.2 结构与模型 93
3.6.3 模型验证 95
3.7 短沟道掺杂围栅金属氧化物半导体场效应晶体管模型 99
3.7.1 概述 99
3.7.2 结构与模型 100
3.7.3 模型验证 104
第4章 无结型场效应晶体管建模研究 112
4.1 长沟道双栅极无结晶体管模型 112
4.1.1 概述 112
4.1.2 器件结构和参数说明 112
4.1.3 电场与电势分布模型 113
4.1.4 漏源电流模型 116
4.1.5 模型验证 117
4.2 长沟道围栅极无结晶体管模型 123
4.2.1 概述 123
4.2.2 器件结构和参数说明 124
4.2.3 电场与电势分布模型 124
4.2.4 漏源电流模型 126
4.2.5 模型验证 127
4.3 基于分离变量法的短沟道对称双栅无结晶体管亚阈值模型 131
4.3.1 概述 131
4.3.2 器件结构和参数说明 132
4.3.3 模型建立 132
4.3.4 模型验证 135
4.4 基于抛物线法的短沟道对称双栅极无结晶体管紧凑亚阈值模型 141
4.4.1 概述 141
4.4.2 器件结构和参数说明 142
4.4.3 模型建立 142
4.4.4 模型验证 145
4.5 基于分离变量法的短沟道非对称双栅无结型场效应晶体管模型 151
4.5.1 概述 151
4.5.2 器件结构和参数说明 152
4.5.3 模型建立 153
4.5.4 模型验证 155
4.6 基于抛物线法的短沟道围栅无结晶体管紧凑亚阈值模型 163
4.6.1 概述 163
4.6.2 器件结构和参数说明 164
4.6.3 模型建立 164
4.6.4 模型验证 168
第5章 纳米级无结场效应晶体管的结构优化 180
5.1 沟道边缘处栅极氧化物厚度优化方案 180
5.1.1 双栅无结场效应晶体管优化 180
5.1.2 立体栅无结场效应晶体管优化 192
5.2 不同介电常数栅极氧化物结合使用优化方案 201
5.2.1 双栅无结场效应晶体管优化 201
5.2.2 立体栅无结场效应晶体管优化 205
5.3 短沟道优化——马鞍型折叠栅无结场效应晶体管 210
第6章 结论 220
附录A 共形映射 224
A.1 坐标系的变换 224
A.2 用复变函数法转换 227
附录B Schwarz-Christoffel映射 229
附录C 泊松积分公式 231
参考文献 233

精彩书摘

第2章 纳米级MOSFETs的
寄生电容模型
2.1 过往亚微米级寄生电容模型回顾
2.1.1 概述
　　金属氧化物半导体场效应晶体管器件的寄生电容在逻辑栅极的转换延迟中起到关键作用，因为对于给定的电流来说，电容决定了栅极在一个能够开启(关闭)源漏电流的特定电势下充放电的速度。金属氧化物半导体场效应晶体管的电容可以分为两大类，即本征电容和寄生电容。在这一章中，我们对早期微米尺度下没有考虑源漏接触对寄生电容影响的假定下所建立的寄生电容模型作出一个简洁的概述，并以此作为后续章节的知识背景。
1. 金属氧化物半导体场效应晶体管的本征电容
　　金属氧化物半导体场效应晶体管的本征电容(见图2.1.1)出现在沟道中的反型层和耗尽层电荷区。金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极电容分成三个区域来考虑：亚阈值区、线性区和饱和区。在亚阈值区，反型层电荷可以忽略不计，当栅极电势变化时，只有耗尽电荷需要考虑。因此，源极与漏极之间的本征电容可近似为零，栅极与体硅之间的电容可以通过和的串联得出，可以表示为
　　 (2.1.1)

图2.1.1 金属氧化物半导体场效应晶体管本征电容的示意图
其中为单位面积的耗尽电容。对于高的漏极偏置电压，表面电势与沟道靠近漏极一侧的耗尽层宽度增大。的平均值略低于沟道靠近源极一侧单位面积上的电容值。一旦表面形成反型层沟道，由于反型层电荷的屏蔽作用，栅极与体硅之间将不存在电容耦合现象。所有的栅极电容都是与沟道之间以及与源极、漏极端子形成的。在电荷片状模型的框架下，在低漏偏压时，反型层电荷密度呈线性变化趋势，并且从源端的 逐渐变化到漏端的。栅极作用下的总反型层电荷为，栅极与晶体管沟道之间的电容可以近似为栅极氧化物所产生的电容，即
　　 (2.1.2)
　　当已知时，反型层电荷密度沿着沟道呈抛物线形式变化。在沟道截止情况下，，在漏端，，且
　　 (2.1.3)
　　反型层电荷密度函数是关于沟道长度和沟道宽度的函数，对此函数积分可得总的反型层电荷的值为，在饱和区，栅极与沟道间的电容为
　　 (2.1.4)
2. 金属氧化物半导体场效应晶体管的寄生电容模型发展概述
　　除了前面讨论的本征电容和之外，器件中还存在着寄生电容，即源极或漏极扩散区域与衬底之间的结电容、栅极与源极或漏极区域间(见图2.1.2)重叠电容。这些电容对于CMOS集成电路的延迟效应产生了显著的影响。结电容或者扩散电容是由源极或者漏极与掺杂的衬底之间的耗尽电荷产生的。当源极或漏极电压变化时，耗尽电荷相应地增加或者减少。需要注意的是，当金属氧化物半导体场效应晶体管导通时，沟道与衬底间的耗尽层电容也被考虑作为源极或者漏极的结电容的一部分。它的影响较小，因为短沟道器件沟道部分的被扩散部分大大减少了。对于一个突变的PN结，单位面积上所产生的电容值为
　　 (2.1.5)
式中：为耗尽层宽度；为轻掺杂的杂质浓度；为内建电势；为施加在结上的反向偏置电压。
　　这个方程表明：源极或者漏极的结电容是根据电压变化而变化的。当漏极电压增大时，随着耗尽层宽度变宽，结电容随之变小。由于结电容还随着沟道掺杂浓度的增大而增大，因此应该避免对漏极与衬底之间所形成的结进行不必要的重掺杂。但是，相反地，如果此处的掺杂浓度过低，会导致多余的短沟道效应或导致金属氧化物半导体场效应晶体管的穿通，因此对于纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管，这里的寄生电容存在着和其他工作特性设计上的折中关系。在版图里，扩散与衬底之间的总电容可以简单地用与扩散面积相乘来表示
　　 (2.1.6)
式中：为器件宽度；为扩散宽度。

前言/序言

前 言
　　
　　集成芯片技术的发展，强有力地推动着金属氧化物半导体场效应晶体管技术的进步。发展更小的金属氧化物半导体场效应晶体管意味着在一个较小的区域实现具有相同的功能的芯片，或在芯片的同一区域内具有更多的功能。由于晶片制造成本相对固定，每个集成芯片的成本主要取决于在每个晶圆上所生成的芯片的数量，因此，更小的集成电路允许在每个晶圆上制造更多的芯片，以此降低芯片的制造成本。然而当尺寸缩小至纳米级时，集成电路的寄生元器件会对电路特性带来显著影响。同时，尺寸缩小也会对单元器件——金属氧化物半导体场效应晶体管的自身性能造成严重影响。为有效克服纳米级短沟道效应，多栅技术应运而生。同时，由尺寸减小所带来的另一个问题是短沟道器件需要极陡的源极和漏极结的形成，这就使得在几个纳米的距离内要实现多个数量级的浓度差，这样的浓度梯度对于掺杂和热处理工艺有极高的要求。为解决此问题，无结型晶体管技术应运而生。
　　鉴于寄生元器件、多栅技术和无结技术对纳米级场效应晶体管集成电路技术的发展的重要作用，作者近年来致力于对纳米级集成电路的寄生电容特性、纳米级多栅金属氧化物半导体场效应晶体管和无结型场效应晶体管的工作机理的研究，成功研发了适用于纳米级集成电路的寄生电容模型、适用于纳米级双栅和围栅结构金属氧化物半导体场效应晶体管和无结型场效应晶体管的机理模型，并提出了具有低泄漏电流、高通态阻断电流比、低亚阈值摆幅的高性能纳米级场效应晶体管结构优化方案。
　　本书由沈阳工业大学靳晓诗、刘溪撰写，其中靳晓诗撰写完成第1，4～6章，共计21万字，刘溪撰写完成第2、3章，共计15万字。作者以自己近年来在国际期刊上所发表的学术论文为基础，经过系统的整理，建立了一套适用于纳米级场效应晶体管寄生电容模型的工作机理模型，并提出了一套适用于纳米级无结晶体管的结构优化方案。望本书能对有兴趣致力于新型纳米级场效应晶体管研究的广大科研工作者有参考作用。
　　在此，作者衷心感谢韩国首尔国立大学李宗昊教授和韩国庆北国立大学李正熙教授对作者在该领域所给予的悉心指导，感谢父母和亲友对作者在科研道路上所给予的支持与鼓励。
　　由于作者水平有限，书中难免存在不足之处。敬请各位同行专家和读者对本书的不足提出宝贵意见。
　　
　　
　　 靳晓诗 刘 溪
　　

《量子涌现与计算极限》 简介 在信息爆炸的时代，我们对计算能力的需求日益增长，但物理定律本身却为我们设定了严苛的边界。当今的数字计算，尽管取得了举世瞩目的成就，但其基石——经典物理学——在面对极小尺度下的物理现象时，其描述能力逐渐显露出局限性。而量子世界，以其独特的叠加、纠缠等特性，正成为探索计算新范式和突破极限的关键。本书《量子涌现与计算极限》正是聚焦于这一前沿领域，深入探讨了量子现象如何涌现出超越经典计算的强大能力，以及这些量子特性在理论上和实践上对计算能力设定的极限进行了深刻的剖析。 本书并非仅仅是一本关于量子力学原理的科普读物，也不是纯粹的数学理论推演。它旨在为读者构建一个跨越物理学、计算机科学、信息论等多个学科的知识框架，揭示量子世界如何为我们理解和实现更高级别的计算提供了前所未有的机遇，同时也认识到其中存在的深刻挑战。 第一部分：量子世界的基石与涌现 在深入探讨计算极限之前，我们首先需要扎实地理解量子世界的独特规则。本部分将从量子力学的基本概念出发，循序渐进地引导读者理解那些与我们日常经验截然不同的量子现象。 量子态与叠加原理： 我们将首先介绍量子比特（qubit）这一信息处理的基本单元。与经典比特只能处于0或1两种状态不同，量子比特可以处于0和1的叠加态。这种叠加态意味着一个量子比特可以同时代表多种可能性，为并行计算提供了天然的基础。本书将通过形象的比喻和严谨的数学描述，阐释叠加态的本质，以及它如何为量子信息处理打开了新的维度。 量子纠缠： 纠缠是量子世界中最令人费解但又最具潜力的特性之一。当两个或多个量子比特发生纠缠时，它们的状态将紧密关联，无论它们相距多远。一个量子比特的状态改变会瞬间影响到其他纠缠的量子比特。本书将深入剖析纠缠的物理机制，并着重讨论纠缠在信息传输、量子计算和量子通信中的关键作用。我们将探讨如何利用纠缠态实现一些经典方法无法完成的奇特任务，例如量子隐形传态。 量子测量与退相干： 量子世界的奇妙特性在测量过程中会发生“坍缩”，即叠加态会转变为确定的经典状态。这种测量过程的概率性和不可逆性，既是量子计算的魅力所在，也是实现稳定量子计算的重大挑战。本书将详细介绍量子测量的基本原理，并重点讨论“退相干”现象。退相干是量子系统与环境相互作用导致量子态失去其量子特性的过程，它是限制量子比特稳定性和量子计算可扩展性的主要瓶颈之一。我们将探讨理解和抑制退相干的最新研究进展。 量子态的演化与幺正变换： 量子系统的演化遵循薛定谔方程，其演化过程是幺正的，即保持量子态的总概率守恒。本书将介绍量子门的概念，这是构成量子算法的基本操作单元，类似于经典计算中的逻辑门。我们将阐述如何通过一系列量子门的操作来实现量子态的演化，从而执行复杂的量子计算任务。 第二部分：量子计算的理论框架与算法 在掌握了量子世界的语言后，本部分将聚焦于如何利用这些独特的量子特性构建强大的计算能力。 量子电路模型： 我们将详细介绍量子电路模型，这是当前最主流的量子计算模型之一。读者将了解到如何设计和构建量子电路，通过一系列量子门对量子比特进行操作，以实现特定的计算目标。我们将介绍一些基本的量子门，如Hadamard门、CNOT门等，以及如何将它们组合成更复杂的量子逻辑操作。 量子算法的设计原则： 量子算法的设计与经典算法有着根本性的区别。本书将深入探讨量子算法的设计哲学，重点介绍如何利用叠加和纠缠来加速计算。我们将剖析一些具有代表性的量子算法，例如： Shor算法： 这个算法能够以远超经典算法的速度分解大整数，对当前的密码学体系构成潜在威胁，展示了量子计算在特定问题上的指数级加速潜力。 Grover算法： 这个算法能够以平方根级别的加速来搜索未排序的数据库，揭示了量子计算在搜索问题上的优势。 量子模拟算法： 量子计算机在模拟量子系统方面具有天然的优势，能够解决经典计算机难以处理的复杂化学、材料科学和物理学问题。我们将探讨其在药物发现、新材料设计等领域的应用前景。 量子信息论基础： 本部分还将触及量子信息论的一些核心概念，包括量子信息熵、量子信道容量等。理解这些概念有助于我们更全面地认识量子信息处理的极限和可能性。 第三部分：计算极限的探索与未来展望 信息、计算与物理定律之间的关系是本书探讨的核心。在理解了量子计算的强大潜力后，我们还需要审视计算可能面临的根本性限制。 信息与物理的边界： 本部分将探讨信息是否是终极的物理实在，以及信息与能量、物质之间的深刻联系。我们将回顾计算理论的发展，从图灵机模型到更现代的理论，思考计算的普适性和局限性。 量子霸权与超越： “量子霸权”是指量子计算机在解决特定问题时，其性能远超最强大的经典计算机。本书将讨论量子霸权的意义，以及它如何标志着一个新计算时代的到来。同时，我们将展望超越量子霸权的更远大目标，即开发出能够解决实际难题、具有广泛应用价值的通用量子计算机。 计算的物理极限： 我们将深入探讨在物理定律层面，计算可能存在的根本性极限。这包括能量消耗、信息存储密度、计算速度等方面的限制。例如，Landauer原理提出了擦除信息所需的最低能量，这为计算的能耗极限提供了理论依据。 新计算范式的探索： 除了主流的量子计算模型，本书还将简要介绍其他潜在的计算范式，如模拟计算、生物计算等，探讨它们在特定领域的优势以及与量子计算可能的结合点。 面向未来的挑战与机遇： 最后，本书将总结当前量子计算研究面临的主要挑战，包括量子比特的相干时间、纠错技术、算法的通用性以及硬件的可扩展性等。同时，也将描绘量子计算在科学研究、医药健康、人工智能、金融等领域可能带来的颠覆性机遇，为读者勾勒出量子计算驱动的未来图景。 《量子涌现与计算极限》旨在为读者提供一个系统、深入的视角，理解量子现象如何重塑我们对计算的认知，探索信息处理的终极边界。本书适合对量子计算、信息科学、理论物理以及未来计算技术感兴趣的研究人员、学生及技术爱好者阅读。通过阅读本书，您将能够更深刻地理解量子世界的神奇之处，以及它为我们开启的无限计算可能。

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我在一家专注于高端模拟电路设计的公司工作，而纳米级场效应晶体管的性能直接影响到我们设计的精度和效率。在进行复杂的模拟电路设计时，我们需要极其精确的器件模型来准确预测电路的响应。然而，传统的器件模型在纳米尺度下往往存在较大的误差，尤其是在器件工作在亚阈值区域或高频工作状态时。我一直在寻找一本能够提供更先进、更精细的纳米级场效应晶体管建模技术的书籍。我希望能从书中了解到如何构建能够覆盖更宽工作范围、更精确地描述器件物理特性的模型，例如能够考虑量子力学效应、电荷输运的非局域性以及界面态等因素的模型。此外，对于结构优化，我也希望书中能提供一些如何根据不同应用场景（例如低功耗、高速度、高精度等）来调整器件结构的指导，比如如何优化栅长、沟道厚度、源漏区的掺杂分布等，以达到最佳的设计目标。

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我是一位对新兴半导体材料和器件充满好奇心的研究员，目前正在探索下一代信息技术所需的关键器件。纳米级场效应晶体管作为许多前沿应用（如AI芯片、物联网设备、射频通信等）的核心组成部分，其建模与结构优化是当前研究的热点。我期待这本书能为我提供一个全面的视角，深入剖析纳米级场效应晶体管在不同材料体系（如金属氧化物半导体、有机半导体、二维材料等）下的特性差异，以及在这些材料体系中进行结构优化的独特挑战与策略。我特别希望书中能够详细介绍各种先进的建模技术，例如基于机器学习的建模方法，以及如何利用这些模型来预测和优化器件的性能，比如开关比、漏电流、击穿电压、频率响应等。此外，对于结构优化，我更关注书中是否能探讨如何通过引入新型的栅介质材料、沟道结构（如纳米线、纳米带）以及界面工程等手段来提升器件性能，并能提供一些理论依据和实验验证的思路。

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