新型半导体纳米器件紧缩模型研究

摘要

随着微电子技术的发展，器件紧缩模型在微电子行业中扮演着越来越重要的角色，作为连结器件物理特性与工艺集成之间的桥梁，一个准确、易于嵌入仿真软件的器件模型变得极为关键。目前，硅基MOSFET的器件紧缩模型已经发展的相当成熟，其中包括BSIM系列模型和PSP模型已经成为业界的主流选择。而一些新兴器件的紧缩模型却仍然处在发展之中，本文将重点讨论两种新型的器件紧缩模型，包括负电容晶体管紧缩模型和漂移/扩散型忆阻器紧缩模型。针对这两种器件，系统地展开了物理机制分析、理论建模、定性器件效应仿真、实验数据比对、模块仿真和电路设计及优化等工作，取得了以下研究成果。 1.本文提出了一种基于表面势的连续的铁电负电容场效应晶体管(NCFET)紧缩模型，该模型结合了多筹朗道理论、筹相互作用项、极化弛豫和半经典玻耳兹曼输运理论。首次得到了没有任何经验拟合参数的表面势的解析解。在此基础上，考虑温度和时间依赖性，导出了NCFET电流的显式表达式。此外，所提出的模型在物理上包含了载流子散射和界面陷阱的影响，以捕获可变的迁移率。模型结果与数值解和实验结果吻合较好，验证了模型的正确性。模型使用Verilog-A语言成功嵌入SPICE中进行电路仿真，给出电容放电电路、环形振荡器(RO)和SRAM的仿真结果，为NCFETs的设计-技术协同优化(DTCO)提供了很好的帮助。 2.提出了一种漂移和扩散两种开关特性的忆阻器综合模型，忆阻器的开关机制是基于离子在氧化物界面层的动态输运理论。通过对不同氧化物基介质材料漂移型忆阻器和新出现的扩散型忆阻器的实验数据的对比，验证了本模型的准确性。在参数波动变化和不同温度的变化下，该模型较好地再现了两种器件的直流/瞬态特性。此外，该紧缩模型用Verilog-A编码在供应商的CAD环境中实现，用于忆阻器的电路仿真，并辅以神经形态电路仿真实例说明了该模型在神经形态电路设计中以取代传统的CMOS电路的应用。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 半导体器件模型

1.2 负电容晶体管及其发展

1.3 忆阻器及其发展

1.4 本文目的

1.5 文章结构

第二章 基于表面势的负电容晶体管紧缩模型的建立

2.1 负电容效应简介

2.1.1 负电容效应的物理背景

2.1.2 朗道公式

2.1.3 亚阈值摆幅

2.2 负电容晶体管

2.2.1 负电容晶体管的运作原理

2.2.2 电容匹配

2.2.3 早期负电容晶体管工作总结

2.3 紧缩模型简介

2.3.1 基于表面势的紧缩模型

2.3.2 多栅场效应晶体管紧缩模型

2.3.3 高压场效应晶体管（HiSIM-HV）紧缩模型

2.4 负电容晶体管基于表面势的紧缩模型建立

2.4.1 负电容晶体管电荷密度模型

2.4.2 铁电层电压模型-包含多筹效应和极化强度弛豫

2.4.3 连续的解析的表面势模型

2.4.4 迁移率模型与界面态

2.4.5 负电容晶体管电流模型

2.4.6 负电容晶体管电容模型

2.5 本章小结

第三章 负电容晶体管模型验证及电路仿真

3.1 参数提取方法

3.2 Gummel对称性连续性测试

3.3 模型的验证

3.4 电路仿真

3.4.1 电容放电电路

3.4.2 SRAM

3.4.2 环形振荡器

3.5 本章小结

第四章 神经形态电路中漂移和扩散型忆阻器紧缩模型开发

4.1 忆阻器及其物理机制介绍

4.2.1 忆阻器应用于神经形态电路

4.2.2 忆阻器模型

4.3 漂移型和扩散型忆阻器紧缩模型建立

4.3.1 等效电阻模型和粒子归一化假设

4.3.2 漂移型忆阻器阻态模型

4.3.2 扩散型忆阻器阻态模型

4.4 模型验证

4.4.1 参数值合理性

4.4.2 漂移型忆阻器模型验证

4.4.3 扩散型忆阻器模型验证

4.5 模型的电路应用

4.6 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果