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以非晶铟镓氧化锌(a-IGZO)为代表的非晶金属氧化物半导体被视为下一代薄膜晶体管(TFTs)技术的有力候选者。在多个产业领域,特别是有源矩阵有机发光二极面板(AMOLED)与柔性电路,a-IGZO TFTs有着广阔的应用前景。a-IGZO TFTs工作的物理机制不同于早期的硅基器件。基于其独特的物理机制,建立紧凑模型以理解材料创新对TFTs电学性能的影响,并最终用于辅助集成电路的设计,对促进和发展AMOLED和集成电路产业有着深远意义。本文的主要内容是分析a-IGZO TFTs的物理机制,考虑载流子简并的情况,建立基于表面势的a-IGZO TFTs直流(DC)和电容紧凑模型,并使模型具备嵌入电路仿真器的条件。分析材料的能带结构与带隙缺陷,为建立数学模型提供了清晰的理论依据。由于电负性的差异,a-IGZO的导带由铟离子的s轨道相互交叠构成,价带由氧离子的2p轨道构成,导致a-IGZO导带附近的带尾局域态密度要远小于氢化非晶硅(a-Si:H)等共价半导体。同时,a-IGZO的价带顶附近存在高密度深缺陷态,易使费米能级钉扎而难以移动至价带附近,因而a-IGZO TFTs多见于n型器件。结合这两点可以说明,在a-IGZO TFTs中,施加足够正的栅压就可使费米能级进入导带。因此,提出的模型必须考虑简并传导机制。基于理论分析,本文指明了玻尔兹曼统计的局限性,给出适用于非简并和简并状态的自由电荷和陷阱电荷浓度公式。结合泊松方程和高斯定理,运用数学变换和Lambert W函数,非迭代地求解出亚阈值区和积累区的表面势。利用光滑函数与施罗德级数修正,得到了一个完整的、高精度的表面势解析模型。模型结果与数值迭代解进行了比较,绝对误差可控制在10-8V范围内。利用表面势计算结果,基于Pao-Sah双重积分公式,建立了a-IGZO TFTs的直流紧凑模型,包括亚阈值电流与积累区电流。迁移率模型基于实际的载流子传输机制,主要包括陷阱限制传导(TLC)机制和渗流导电(PM)机制两种,其遵循幂律函数关系,并且考虑了声子散射与表面粗糙散射对迁移率的退化。在核心电流模型的基础上,融入了载流子速度饱和与沟道长度调制两个高阶效应。基于薄层电荷模型(CSM)与对称正交方法(SQM),求解出各个端电荷的表达式,建立了考虑简并机制的a-IGZO TFTs的电容紧凑模型。该模型满足电荷守恒与电容非互易性的条件,能够很好地描述器件的动态行为。综上所述,提出的a-IGZO TFTs直流模型与电容模型都是以器件内部物理机制为基础的。通过与数值迭代解或实验数据多方面的比较,模型有效性得到了有力的支持。该模型物理概念清晰,算法简单明了,易于嵌入电路仿真器。