隧穿场效应晶体管中声子及缺陷Zener辅助隧穿效应的研究

摘要

低能耗的隧穿场效应晶体管(TFETs)作为传统金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)的潜在替代者而受到人们广泛关注.与MOSFETs不同，TFETs的工作原理是载流子的Zener隧穿机制，因此，在室温下不受60mV/decade亚阈值摆幅(SS)的限制.然而，由于缺陷和声子辅助隧穿作用，现实中很难获得陡峭的SS和比较大的开态电流.禁带中的缺陷态作为价带到导带隧穿的跳板增加了开态电流的同时也增加了漏电流，进而降低了器件的性能.本文基于有效质量近似，分别研究了直接带隙和间接带隙半导体中的Zener隧穿以及缺陷的影响.主要研究内容和所得结果概括如下:
　　(1)直接带隙半导体中的Zener隧穿.采用修正的转移矩阵方法，讨论了单层MoS2纳米带中的Zener隧穿电流以及缺陷的影响.与Kane方法的结果对比显示，修正过后的转移矩阵方法对于二维正弦静电势模型同样适用.不同于导带间的隧穿，缺陷态引起的Zener共振隧穿较为复杂，共振隧穿能级难以确定.另外,数值计算结果与精确的第一性原理结果符合的很好，缺陷确实可以在不改变SS的情况下，增加器件的开启电流.缺陷势阱对Zener隧穿的影响与共振隧穿能级和缺陷的位置有关，与具体的缺陷势阱宽度和深度取值关系不大，当能级靠近导带底或价带顶，或者缺陷位置靠近n-端或p-端时，缺陷对电流的贡献减小.
　　(2)声子辅助Zener隧穿.通过费米黄金规则给出了一个计算间接带隙半导体中声子辅助Zener隧穿电流密度的公式.结果显示，相比于其他声子模，横声学声子模在硅的声子辅助Zener隧穿过程中起主要作用.由于转移矩阵方法考虑了反射波的耦合作用以及价带顶和导带底的波矢差别，其电流密度要略大于WKB方法的计算结果.但是，由于高估了价带与导带之间的耦合效应，导致本文了的计算结果比Kane模型大一个数量级左右.
　　(3)缺陷存在的声子辅助Zener隧穿.分析了间接带隙半导体中缺陷位置、缺陷势阱深度以及缺陷浓度等对隧穿电流密度的影响.与直接Zener隧穿模型不同，声子辅助Zener隧穿模型中电流密度随温度的升高而略有增加;输运电子曲线有两个隧穿共振峰，分别对应于电子发射和吸收一个声子达到缺陷态能级发生的共振隧穿.结果显示，缺陷位置靠近n-端以及深能级缺陷对低偏压和低电场强度时的电流密度影响大，增加了器件的SS;当缺陷位置靠近p-端时，增加了器件的开启电流，浅能级缺陷则对器件电流的影响不大.另外,缺陷浓度每增加一个数量级，低电场强度的总电流密度也增大十倍左右，而高电场强度的电流密度基本不变，从而增大了器件的SS.
　　可以看到，通过控制缺陷的位置和能级可以有效的提高器件的性能，上述结果对于相关实验和TFETs的设计有指导意义.

目录

声明

摘要

第一章 绪论

§1．1 Zener隧穿的研究意义

§1．2 国内外研究现状及存在的问题

§1．3 论文内容安排

第二章 二维直接带隙半导体中的Zener隧穿

§2．1 WKB方法与Kane方法

§2．2 方法与模型

§2．3 数值计算与结果讨论

§2．4 小结

第三章 间接带隙半导体中的声子辅助Zener隧穿

§3．1 理论与模型

§3．2 数值计算与结果讨论

§3．3 小结

第四章 缺陷态对声子辅助Zener隧穿的影响

§4．1 理论与模型

§4．2 数值计算与结果讨论

§4．3 小结

第五章 全文总结

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的学术论文