硅纳米器件的太赫兹辐射特性研究

摘要

本论文基于量子输运理论中的非平衡格林函数和泊松方程自洽求解方法，研究了轻掺杂源漏（LDDS）和异质栅（HMG）对MOSFET的电学特性的影响，在此基础上，提出场效应管的优化结构。另外分析了纳米场效应晶体管的太赫兹辐射和探测特性，并且得出了一些有意义的结论。
　　本文的主要研究内容如下：
　　（1）基于非平衡格林函数和泊松方程的自洽数值解，提出了一种有限元方法下的双栅双材料 MOSFET（DMG-MOSFET）的量子动力学模型，研究了它的转移特性、亚阈值特性、高频特性等，并与常规的双栅单材料 MOSFET（SMG-MOSFET）进行了对比。结果表明DMG-MOSFET不仅可以抑制SCE、DIBL改善器件性能，同时器件的截至频率能够达到我们预想的THz频率波段。
　　（2）建立了基于流体动力学理论的太赫兹辐射和探测的数值模拟，并用该数值模拟研究了DMG-MOSFET的太赫兹辐射和探测特性。仿真结果表明，在辐射模式下，改变弛豫时间，将会影响器件沟道内的等离子波动，同时影响THz电磁波的产生；而在探测模式下，改变外界温度、漏电流、等离子波速、弛豫时间和栅长都将会影响THz响应波形的变化。
　　（3）提出了一种新型的结合 LDDS和HMG结构的碳纳米管场效应管（LDDS-HMG-CNTFET），研究了它的电流特性、亚阈值摆幅、尺寸缩小特性以及高频特性等，结果表明，这种新型的LDDS-HMG-CNTFET不仅能够明显降低漏电流，减小亚阈值摆幅，还能提高器件的开关电流比和截止频率。此外，我们还讨论了功函数不同对LDDS-HMG-CNTFET器件开关电流比和高频特性的影响，结果表明合理地选择栅金属功函数的大小，可以提高器件的电子输运效率和截止频率。

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1 太赫兹简介

1.2 太赫兹辐射源

1.3 太赫兹探测器

1.4 基于半导体场效应晶体管的太赫兹技术

1.5 半导体场效应晶体管太赫兹技术的应用

1.6 本文的主要研究内容

第二章 基于非平衡格林函数的量子输运理论

2.1 格林函数

2.2 非平衡格林函数

2.3 非平衡格林函数在量子输运中的应用

2.4 非平衡格林函数中有限元方法的应用

2.5 本章小结

第三章 有限元方法下的MOSFET建模

3.1 双栅双材料MOSFET的模型结构

3.2 基于非平衡格林和泊松方程的迭代方法

3.3 DMG-MOSFET仿真结果与讨论

3.4本章小结

第四章 基于硅场效应晶体管的太赫兹辐射建模

4.1 硅基场效应管晶体管太赫兹辐射和探测理论

4.2 硅基场效应管晶体管太赫兹的数值模拟算法

4.3 硅场效应晶体管太赫兹数值模拟讨论

4.4 本章小结

第五章 新型碳基场效应晶体管特性研究

5.1 碳纳米管和石墨烯的结构

5.2 新型碳纳米管场效应晶体管特性研究

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