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本文采用一种量子力学模型,研究了MOSFET型碳基场效应管的电学特性。该模型基于非平衡格林函数(NEGF)和泊松(Poisson)方程自洽全量子数值解。运用该方法研究了基于不同栅极结构的场效应管的稳态特性。另外,在器件电学特性的基础上,将研究范围扩展至电路,分析了异质结构碳纳米管场效应管(CNTFETs)和石墨烯纳米条带场效应管(GNRFETs)构建电子电路的性能。最后,本文研究了场效应管栅极隧穿电流对逻辑电路功能的影响。本文的主要内容涉及以下三个方面:首先,研究了异质栅结构n-i-n型场效应管以及异质氧化层结构p-i-n型场效应管的电学特性,并与普通结构的场效应管进行比较。结果表明:异质结构尽管增大了器件的迟滞时间,但可以显著提高器件的开关电流比、抑制短沟道效应、减小亚阈摆幅。其次,在器件电学特性的基础上利用Verilog-A建立相应查找表(LUT)模型,在HSPICE中构建电子电路,研究异质结构器件对于电路性能的影响。对于n-i-n型场效应管构建电路,计算了栅金属功函数对功耗,延迟以及功耗-延迟积(PDP)等电路性能的影响,并得出能够减小PDP的优化值;对于p-i-n型场效应管构建的逻辑电路,从栅长、供电电压以及温度三个方面比较了普通结构隧穿场效应管(TFET)、高k-隧穿场效应管(HK-TFET)和异质隧穿场效应管(HTFET)电路稳定性。结果表明,尽管HKTFET构建的逻辑电路具有最小的PDP,但是HTFET构建的逻辑电路的PDP随栅长、温度的变化率最小,即HTFET具有较高的稳定性。最后,探讨了碳基场效应管的栅极隧穿电流对于逻辑电路功能的影响。在碳基场效应管的等效电路模型的基础上利用查找表加入栅极隧穿电流,并构建逻辑电路,研究了场效应管栅极隧穿电流对电路逻辑功能的影响。结果表明,当晶体管栅极氧化层厚度达到0.5nm时,急剧增大的栅极隧穿电流会造成逻辑电路功能错误。