新型碳基场效应管在逻辑电路中的应用研究

摘要

本文主要进行基于沟道工程技术和栅工程技术碳基场效应管器件以及由此构成逻辑电路的分析和研究。在器件层次，利用非平衡格林函数(NEGF)和泊松方程(Poisson)自洽求解的量子力学模型，探讨了沟道工程技术和栅工程技术对新型碳基场效应管的输运特性的影响。在电路层次，基于查找表模型，利用SPICE仿真对新型碳基器件所构建逻辑电路进行性能分析和研究。通过本课题的研究，能够为将来碳基器件和电路设计提供理论依据。本文的主要内容有：
　　首先，研究了基于石墨烯纳米条带材料的异质栅氧化层结构隧穿型场效应管(GNR HTFET)并与其他相关结构进行比较分析。研究结果表明：这种新型结构能够降低关态电流，从而提高了开关电流比，并且亚阈值摆幅也有所减小。HTFET相对于普通结构器件迟滞时间减小，电压增益增大。
　　其次，研究了基于碳纳米管材料的源漏轻掺杂结构隧穿型场效应管(CNT LDDS-HTFET)的电学特性，并与其他相关结构进行比较分析。研究结果表明：这种新型结构也能够降低关态电流，从而提高了开关电流比。LDDS-HTFET相对于其他结构器件截止频率变大、栅电容减小，从而抑制了短沟道效应，使得 LDDS-HTFET具有较好的高频特性。
　　最后，本文利用Verilog-A在所研究器件的转移特性的基础上建立查找表(LUT)模型，并在SPICE中构建相应的电路，分析其数字特性并与其他器件构建的电路进行比较。对于GNR HTFET所构建的反相器，分析了其瞬态特性，并且与高K隧穿型场效应管进行了比较。研究结果表明：由GNR HTFET所构建的反向器具有更小的功耗延迟积(PDP)，且其PDP随着栅长和供电电压的变化率相对较小，也就是说GNR HTFET构建的电路具有更好的稳定性。然后，用LDDS-HTFET构建了多种逻辑电路，验证了这些逻辑电路的逻辑功能的正确性，并将其电路性能与普通结构进行比较分析，研究结果表明：该新型结构所构建的逻辑电路具有更低的延迟、功耗和PDP，并且所构建的存储器拥有相对较高的噪声容限。

目录

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1引言

1.2新型碳基材料的简介

1.3碳基场效应管的研究现状

1.4研究内容和创新

1.5本论文章节安排

第二章 量子输运理论及计算模型

2.1非平衡格林函数

2.2 Dyson方程

2.3 Landauer-Büttiker输运理论

2.4石墨烯场效应管的模型和方法

第三章 异质结构碳基场效应晶体管的电学特性

3.1数值模拟结果

3.2 TFET工作原理

3.3基于异质栅氧化层结构隧穿型石墨烯场效应管的电学特性

3.4本章小结

第四章 采用沟道工程、栅工程技术的隧穿型碳纳米场效应管

4.1异质栅氧化层结构HTFET的电学特性

4.2四种不同结构CNTFET的电学特性

4.3栅介电常数对LDDS-HTFET性能的影响

4.4新型碳基场效应管的工程应用（参照ITRS’10）

4.5本章小结

第五章 新型碳基场效应晶体管构建电路的性能分析

5.1基于石墨烯纳米条带场效应管构建电路的SPICE仿真研究

5.2源漏轻掺杂异质栅氧化层结构隧穿型CNTFET构建电路的性能

5.3本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢