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编辑推荐

作者以自己近年来在国际期刊上所发表的学术论文为基础，经过系统的整理，建立了一套适用于纳米级场效应晶体管寄生电容模型的工作机理模型，并提出了一套适用于纳米级无结晶体管的结构优化方案。望本书能对有兴趣致力于新型纳米级场效应晶体管研究的广大科研工作者有参考作用。

内容简介

本书是对作者在纳米级场效应晶体管领域科研学术成果的系统性论述，具体内容包括纳米级场效应晶体管寄生电容模型、传统纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管机理模型、新兴无结型场效应晶体管机理模型以及无结型场效应晶体管的结构优化。在建模的过程中，充分考虑了器件的具体结构和掺杂浓度等参数对器件工作特性的影响，系统地建立了具有双栅、围栅等多栅结构的纳米级场效应晶体管的机理模型体系，并给出了深纳米级尺度下新兴无结场效应晶体管的优化方案。
本书可供材料、电子、精密仪器等专业科研和工程技术人员参考使用。

目录

目 录

第1章 绪论 1
1.1 CMOS超大规模集成电路技术发展与现状分析 1
1.2 内容概述 12
第2章 纳米级MOSFETs的寄生电容模型 15
2.1 过往亚微米级寄生电容模型回顾 15
2.1.1 概述 15
2.1.2 几种常见的寄生电容模型介绍 18
2.2 考虑源漏接触电极影响的深亚微米寄生电容模型 27
2.2.1 概述 27
2.2.2 栅极侧壁电容 (Cside) 28
2.2.3 栅极顶部电容与总寄生电容 36
2.3 基于精准边界条件的全解析寄生电容模型 41
2.3.1 概况 41
2.3.2 栅极侧壁电容 42
2.3.3 栅极顶部电容与总寄生电容 47
第3章 纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管模型 51
3.1 平面单栅极体硅金属氧化物半导体场效应晶体管模型 51
3.1.1 能带理论 51
3.1.2 一个平面金属氧化物半导体电容器的标准模型 57
3.1.3 一个平面单栅极金属氧化物半导体场效应晶体管器件的标准模型 62
3.2 长沟道未掺杂双栅金属氧化物半导体场效应晶体管漏源电流模型 64
3.2.1 概述 64
3.2.2 结构与模型 65
3.2.3 模型验证 69
3.3 长沟道掺杂双栅金属氧化物半导体场效应晶体管漏源电流模型 70
3.3.1 概述 70
3.3.2 结构与模型 71
3.3.3 模型验证 73

3.4 短沟道双栅金属氧化物半导体场效应晶体管亚阈值伏安特性模型 77
3.4.1 概述 77
3.4.2 结构与模型 77
3.4.3 模型验证 81
3.5 非对称短沟道双栅金属氧化物半导体场效应晶体管建模 84
3.5.1 概述 84
3.5.2 结构与模型 85
3.5.3 模型验证 88
3.6 长沟道掺杂围栅金属氧化物半导体场效应晶体管模型 92
3.6.1 概述 92
3.6.2 结构与模型 93
3.6.3 模型验证 95
3.7 短沟道掺杂围栅金属氧化物半导体场效应晶体管模型 99
3.7.1 概述 99
3.7.2 结构与模型 100
3.7.3 模型验证 104
第4章 无结型场效应晶体管建模研究 112
4.1 长沟道双栅极无结晶体管模型 112
4.1.1 概述 112
4.1.2 器件结构和参数说明 112
4.1.3 电场与电势分布模型 113
4.1.4 漏源电流模型 116
4.1.5 模型验证 117
4.2 长沟道围栅极无结晶体管模型 123
4.2.1 概述 123
4.2.2 器件结构和参数说明 124
4.2.3 电场与电势分布模型 124
4.2.4 漏源电流模型 126
4.2.5 模型验证 127
4.3 基于分离变量法的短沟道对称双栅无结晶体管亚阈值模型 131
4.3.1 概述 131
4.3.2 器件结构和参数说明 132
4.3.3 模型建立 132
4.3.4 模型验证 135
4.4 基于抛物线法的短沟道对称双栅极无结晶体管紧凑亚阈值模型 141
4.4.1 概述 141
4.4.2 器件结构和参数说明 142
4.4.3 模型建立 142
4.4.4 模型验证 145
4.5 基于分离变量法的短沟道非对称双栅无结型场效应晶体管模型 151
4.5.1 概述 151
4.5.2 器件结构和参数说明 152
4.5.3 模型建立 153
4.5.4 模型验证 155
4.6 基于抛物线法的短沟道围栅无结晶体管紧凑亚阈值模型 163
4.6.1 概述 163
4.6.2 器件结构和参数说明 164
4.6.3 模型建立 164
4.6.4 模型验证 168
第5章 纳米级无结场效应晶体管的结构优化 180
5.1 沟道边缘处栅极氧化物厚度优化方案 180
5.1.1 双栅无结场效应晶体管优化 180
5.1.2 立体栅无结场效应晶体管优化 192
5.2 不同介电常数栅极氧化物结合使用优化方案 201
5.2.1 双栅无结场效应晶体管优化 201
5.2.2 立体栅无结场效应晶体管优化 205
5.3 短沟道优化——马鞍型折叠栅无结场效应晶体管 210
第6章 结论 220
附录A 共形映射 224
A.1 坐标系的变换 224
A.2 用复变函数法转换 227
附录B Schwarz-Christoffel映射 229
附录C 泊松积分公式 231
参考文献 233

精彩书摘

第2章 纳米级MOSFETs的
寄生电容模型
2.1 过往亚微米级寄生电容模型回顾
2.1.1 概述
　　金属氧化物半导体场效应晶体管器件的寄生电容在逻辑栅极的转换延迟中起到关键作用，因为对于给定的电流来说，电容决定了栅极在一个能够开启(关闭)源漏电流的特定电势下充放电的速度。金属氧化物半导体场效应晶体管的电容可以分为两大类，即本征电容和寄生电容。在这一章中，我们对早期微米尺度下没有考虑源漏接触对寄生电容影响的假定下所建立的寄生电容模型作出一个简洁的概述，并以此作为后续章节的知识背景。
1. 金属氧化物半导体场效应晶体管的本征电容
　　金属氧化物半导体场效应晶体管的本征电容(见图2.1.1)出现在沟道中的反型层和耗尽层电荷区。金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极电容分成三个区域来考虑：亚阈值区、线性区和饱和区。在亚阈值区，反型层电荷可以忽略不计，当栅极电势变化时，只有耗尽电荷需要考虑。因此，源极与漏极之间的本征电容可近似为零，栅极与体硅之间的电容可以通过和的串联得出，可以表示为
　　 (2.1.1)

图2.1.1 金属氧化物半导体场效应晶体管本征电容的示意图
其中为单位面积的耗尽电容。对于高的漏极偏置电压，表面电势与沟道靠近漏极一侧的耗尽层宽度增大。的平均值略低于沟道靠近源极一侧单位面积上的电容值。一旦表面形成反型层沟道，由于反型层电荷的屏蔽作用，栅极与体硅之间将不存在电容耦合现象。所有的栅极电容都是与沟道之间以及与源极、漏极端子形成的。在电荷片状模型的框架下，在低漏偏压时，反型层电荷密度呈线性变化趋势，并且从源端的 逐渐变化到漏端的。栅极作用下的总反型层电荷为，栅极与晶体管沟道之间的电容可以近似为栅极氧化物所产生的电容，即
　　 (2.1.2)
　　当已知时，反型层电荷密度沿着沟道呈抛物线形式变化。在沟道截止情况下，，在漏端，，且
　　 (2.1.3)
　　反型层电荷密度函数是关于沟道长度和沟道宽度的函数，对此函数积分可得总的反型层电荷的值为，在饱和区，栅极与沟道间的电容为
　　 (2.1.4)
2. 金属氧化物半导体场效应晶体管的寄生电容模型发展概述
　　除了前面讨论的本征电容和之外，器件中还存在着寄生电容，即源极或漏极扩散区域与衬底之间的结电容、栅极与源极或漏极区域间(见图2.1.2)重叠电容。这些电容对于CMOS集成电路的延迟效应产生了显著的影响。结电容或者扩散电容是由源极或者漏极与掺杂的衬底之间的耗尽电荷产生的。当源极或漏极电压变化时，耗尽电荷相应地增加或者减少。需要注意的是，当金属氧化物半导体场效应晶体管导通时，沟道与衬底间的耗尽层电容也被考虑作为源极或者漏极的结电容的一部分。它的影响较小，因为短沟道器件沟道部分的被扩散部分大大减少了。对于一个突变的PN结，单位面积上所产生的电容值为
　　 (2.1.5)
式中：为耗尽层宽度；为轻掺杂的杂质浓度；为内建电势；为施加在结上的反向偏置电压。
　　这个方程表明：源极或者漏极的结电容是根据电压变化而变化的。当漏极电压增大时，随着耗尽层宽度变宽，结电容随之变小。由于结电容还随着沟道掺杂浓度的增大而增大，因此应该避免对漏极与衬底之间所形成的结进行不必要的重掺杂。但是，相反地，如果此处的掺杂浓度过低，会导致多余的短沟道效应或导致金属氧化物半导体场效应晶体管的穿通，因此对于纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管，这里的寄生电容存在着和其他工作特性设计上的折中关系。在版图里，扩散与衬底之间的总电容可以简单地用与扩散面积相乘来表示
　　 (2.1.6)
式中：为器件宽度；为扩散宽度。

前言/序言

前 言
　　
　　集成芯片技术的发展，强有力地推动着金属氧化物半导体场效应晶体管技术的进步。发展更小的金属氧化物半导体场效应晶体管意味着在一个较小的区域实现具有相同的功能的芯片，或在芯片的同一区域内具有更多的功能。由于晶片制造成本相对固定，每个集成芯片的成本主要取决于在每个晶圆上所生成的芯片的数量，因此，更小的集成电路允许在每个晶圆上制造更多的芯片，以此降低芯片的制造成本。然而当尺寸缩小至纳米级时，集成电路的寄生元器件会对电路特性带来显著影响。同时，尺寸缩小也会对单元器件——金属氧化物半导体场效应晶体管的自身性能造成严重影响。为有效克服纳米级短沟道效应，多栅技术应运而生。同时，由尺寸减小所带来的另一个问题是短沟道器件需要极陡的源极和漏极结的形成，这就使得在几个纳米的距离内要实现多个数量级的浓度差，这样的浓度梯度对于掺杂和热处理工艺有极高的要求。为解决此问题，无结型晶体管技术应运而生。
　　鉴于寄生元器件、多栅技术和无结技术对纳米级场效应晶体管集成电路技术的发展的重要作用，作者近年来致力于对纳米级集成电路的寄生电容特性、纳米级多栅金属氧化物半导体场效应晶体管和无结型场效应晶体管的工作机理的研究，成功研发了适用于纳米级集成电路的寄生电容模型、适用于纳米级双栅和围栅结构金属氧化物半导体场效应晶体管和无结型场效应晶体管的机理模型，并提出了具有低泄漏电流、高通态阻断电流比、低亚阈值摆幅的高性能纳米级场效应晶体管结构优化方案。
　　本书由沈阳工业大学靳晓诗、刘溪撰写，其中靳晓诗撰写完成第1，4～6章，共计21万字，刘溪撰写完成第2、3章，共计15万字。作者以自己近年来在国际期刊上所发表的学术论文为基础，经过系统的整理，建立了一套适用于纳米级场效应晶体管寄生电容模型的工作机理模型，并提出了一套适用于纳米级无结晶体管的结构优化方案。望本书能对有兴趣致力于新型纳米级场效应晶体管研究的广大科研工作者有参考作用。
　　在此，作者衷心感谢韩国首尔国立大学李宗昊教授和韩国庆北国立大学李正熙教授对作者在该领域所给予的悉心指导，感谢父母和亲友对作者在科研道路上所给予的支持与鼓励。
　　由于作者水平有限，书中难免存在不足之处。敬请各位同行专家和读者对本书的不足提出宝贵意见。
　　
　　
　　 靳晓诗 刘 溪
　　

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