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        導(dǎo)通類型可調(diào)的無摻雜MOS場效應(yīng)晶體管

        2021-11-02 11:48:14靳曉詩
        微處理機(jī) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:場效應(yīng)漏極輸出特性

        李 權(quán),靳曉詩

        (沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽110870)

        1 引言

        隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,集成電路向著更小尺寸方向不斷發(fā)展,這就對作為集成電路的基本單元——MOSFET器件提出了同樣的要求。傳統(tǒng)的MOSTET器件,即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管,其導(dǎo)通機(jī)理是基于不同載流子類型而表現(xiàn)為不同的導(dǎo)通類型,即可分為N-MOSFET和P-MOSFET兩種。傳統(tǒng)器件每次工作只會工作在一種工作模式下,器件功能單一,可實(shí)現(xiàn)功能少,這與現(xiàn)代科技的發(fā)展要求產(chǎn)生了一定的差距。因此人們對MOSFET的要求進(jìn)一步提高,不僅要求在尺寸上達(dá)到更小的級別,同時(shí)也要求在器件功能上實(shí)現(xiàn)更多可能的選擇[1]。同時(shí),MOSFET器件導(dǎo)通機(jī)理受到漂移、擴(kuò)散的的影響,熱壓閾值也只能降到65mV/dec,因此降低熱壓閾值也是目前需要解決的問題之一。綜合考慮上述問題,在此提出一種新型場效應(yīng)晶體管,在器件尺寸上進(jìn)一步縮小,并在保證正常MOSFET的邏輯功能的基礎(chǔ)上,通過對控制柵施加不同電壓,實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)通類型之間的可調(diào)互換,靈活地適應(yīng)更為復(fù)雜的新技術(shù)需求。

        2 器件設(shè)計(jì)與工作原理

        2.1 器件關(guān)鍵參數(shù)

        所設(shè)計(jì)器件以雙側(cè)浮動?xùn)艠O結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通類型的可調(diào),且具有無摻雜的特點(diǎn),其在Silvaco TCAD軟件中Devedit模塊中生成的平面示意圖如圖1所示。所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)已在圖中標(biāo)出[2]。

        圖1 平面示意圖及關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)注

        由圖中可見該器件同時(shí)具有控制導(dǎo)通類型的雙側(cè)浮動?xùn)艠O和中央控制柵極。在柵極與硅體之間用HfO(2二氧化鉿)作為絕緣層,外側(cè)周圍則用SiO2來做絕緣層。其中,W是溝道寬度;L是溝道長度;Ws是源漏寬度;Wfg是兩側(cè)浮動?xùn)艠O寬2度;Wpg是中央控制柵寬度;Lpg是中控制柵長度;tHfO是柵極與硅體之間絕緣層厚度;tox1、tox2、tox3皆為SiO2絕緣層厚度。各參數(shù)的具體數(shù)值如表1所示。

        表1 參數(shù)數(shù)值

        2.2 工作原理

        所設(shè)計(jì)場效應(yīng)晶體管的漏、源電極均采用金屬材質(zhì)(Al)。電極金屬與半導(dǎo)體Si接觸形成金屬結(jié),并在源漏區(qū)接觸處形成肖特基勢壘,借助于載流子隧穿效應(yīng)形成導(dǎo)通電流。新結(jié)構(gòu)中,兩側(cè)的浮動控制柵極是通過帶帶隧穿機(jī)理來提供正向?qū)娏?;利用突變金屬結(jié)在半導(dǎo)體處提供一種比P+/N+結(jié)更強(qiáng)烈的帶帶隧穿[3]。兩側(cè)浮動制柵極主要控制源、漏區(qū)。中央控制柵極的導(dǎo)通機(jī)制與傳統(tǒng)MOSFET導(dǎo)通機(jī)理相同。

        在N-MOSFET情況下,各處柵極均正偏,由源極提供帶帶隧穿產(chǎn)生的電子空穴對[4]。從源極流出的電子受到兩側(cè)控制柵極的控制在溝道兩側(cè)集中,積累起來的電子以漏電流形式從源極不斷流向漏極,器件因此導(dǎo)通。此時(shí)若令兩側(cè)柵極正偏,而使中央柵極反偏,電子依舊從源極流出在溝道兩側(cè)集中并流向漏極,器件關(guān)斷[5]。

        P-MOSFET與N型相似,若各處柵極均為反偏,電子空穴對主要在源極由帶帶隧穿產(chǎn)生,在兩側(cè)控制柵極的柵控作用下,從源極流出的空穴在溝道兩側(cè)聚焦,數(shù)量不斷積累,形成從源極到漏極的源源不斷的漏電流,使器件呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)。反之,如果兩側(cè)控制柵極保持反偏不變,中央控制柵極改為正偏,空穴將由源極流出聚集在溝道兩側(cè),此時(shí)處于正偏狀態(tài)的中央控制柵會阻止空穴繼續(xù)向漏極流動,使器件進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)[6]。

        3 仿真與分析

        通過Silvaco TCAD半導(dǎo)體仿真軟件對所設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真與分析研究。通過DevEdit編輯器件二維結(jié)構(gòu)尺寸,在DeckBuild中調(diào)用Atlas仿真語句進(jìn)行導(dǎo)通特性仿真分析,最后經(jīng)視圖工具Tonyplot顯示仿真結(jié)果,并對圖像進(jìn)行測量、分析[7]。詳細(xì)仿真結(jié)果如下:

        如圖2所示為仿真得到的直流特性仿真曲線。此時(shí)漏極電壓固定在0.2V,中央控制柵極電壓固定在-0.8V,側(cè)柵電壓Vfg分別為-0.5V和0.5V。曲線呈現(xiàn)的是以中央控制柵電壓Vpg作為參數(shù)的Vpg-IDS轉(zhuǎn)移特性。此時(shí)當(dāng)Vfg=0.5V,器件的導(dǎo)通類型為NMOSFET;而當(dāng)Vfg=-0.5V,器件導(dǎo)通類型則轉(zhuǎn)換為P-MOSFET。由此通過對柵壓的改變實(shí)現(xiàn)了器件導(dǎo)通類型的轉(zhuǎn)變。

        圖2 不同V pg極性下的輸出特性仿真曲線

        由仿真曲線可以看出,通過改變Vfg的電壓極性可以指定器件類型(N-MOSFET或P-MOSFET),但不管它是作為N-MOSFET還是P-MOSFET,中央控制柵電極Vpg仍然作為開關(guān)控制著整體晶體管的開啟與關(guān)斷[8]。

        如圖3所示為對Vfg施加反偏時(shí)的輸出特性仿真結(jié)果。漏極施外固定電壓0.2V,中央柵極施加固定電壓-0.8V,Vfg在-0.2V到-0.8V之間變化。

        圖3 V fg反偏時(shí)的輸出特性仿真曲線

        由仿真曲線可以看出,當(dāng)Vfg<0時(shí),MOS場效應(yīng)晶體管作為P-MOSFET工作,當(dāng)Vpg一定時(shí),隨著Vfg反向增大,兩側(cè)控制柵電極對溝道的柵控作用增強(qiáng),溝道內(nèi)的空穴不斷的匯聚,源源不斷流向漏極,使得漏極電流增大。

        如圖4所示為對Vfg施加正偏時(shí)的輸出特性仿真結(jié)果。漏極施加固定電壓0.2V,中央柵極施加固定電壓-0.8V,Vfg在0.2V到0.8V之間變化。

        圖4 V fg正偏時(shí)的輸出特性仿真曲線

        由仿真曲線可以看出,當(dāng)Vfg>0時(shí),MOS場效應(yīng)晶體管作為N-MOSFET工作,當(dāng)Vpg一定時(shí),隨著Vfg正向增大,兩側(cè)浮動?xùn)烹姌O對溝道的柵控作用增強(qiáng),溝道內(nèi)的電子不斷的聚集,源源不斷從源極流向漏極,使得漏極電流增大。

        4 結(jié)束語

        提出的一種導(dǎo)通類型可調(diào)的無摻雜MOS場效應(yīng)晶體管,通過結(jié)合TFET和MOSFET的各自優(yōu)點(diǎn),通過改變控制柵極的電壓極性即可改變整體器件的導(dǎo)通類型。通過仿真分析,可對器件各方面進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化以達(dá)到最佳特性。中央主控制柵的兩側(cè)輔助控制柵場效應(yīng)晶體管具有很大的發(fā)展前景,器件不僅結(jié)構(gòu)對稱,還在很大程度上克服了短溝道效應(yīng),提高了導(dǎo)通電流,降低了亞閾值擺幅數(shù)值和靜態(tài)功耗,有益于在工藝上實(shí)現(xiàn)更高的集成度。

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