一個圓柱形雙柵場效應晶體管的物理模型*

劉佳文 姚若河 劉玉榮 耿魁偉

(華南理工大學電子與信息學院, 廣州 510641)

1 引 言

目前, 金屬氧化物半導體場效應晶體管(metaloxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)的尺寸從微米級進入納米級, 為了提高溝道的可控性, 通過在圍柵MOSFET器件引入內部控制柵形成的圓柱形雙柵(cylindrical surrounding double-gate, CSDG) MOSFET結構, 得到了廣泛的關注.與雙柵[1]、三柵[2]及圍柵MOSFET[3]器件相比, CSDG MOSFET提供了更好的柵控性能和輸出特性[4-9].

Fahad和Hussain[10]表明CSDG MOSFET能夠在產生更大的驅動電流同時擁有高的面積效率,并實現硅納米線場效應晶體管所需的低泄漏電流(18.5 nA)特性.Verma等[11]仿真對比了CSDG和圓柱形單柵(cylindrical surrounding gate, CSG)MOSFET的器件特性, 結果表明CSDG MOSFET比CSG MOSFET有更好的漏源電流、跨導等特性.Bairagya等[12]利用Pao-Sah二重積分方法建立了CSDG MOSFET器件的電流解析模型, 得出CSDG MOSFET比傳統的單柵MOSFET器件的反型層電荷濃度更高, 具有更好的柵控性能和更大的輸出電流.Maduagwu等[13]研究了器件的硅體厚度、柵氧化層厚度和溝道長度等對CSDG MOSFET的閾值電壓和亞閾值擺幅的影響, 表明閾值電壓隨溝道長度的減小而減小, 亞閾值擺幅隨硅體厚度、柵氧化層厚度的減小而減小, 隨溝道長度的減小而增大.

本文通過求解圓柱坐標系下的二維泊松方程,建立CSDG MOSFET的電勢模型, 并由Pao-Sah積分, 建立CSDG MOSFET的漏源電流模型, 進一步分析討論CSDG MOSFET器件的表面勢、表面電場、漏源電流、跨導和閾值電壓等特性.

2 物理模型

圖1為CSDG MOSFET沿溝道方向的剖面示意圖, 圖2為CSDG MOSFET圓形橫截面示意圖.當不考慮CSDG MOSFET的內柵時, 它實際上就是一個圍柵場效應晶體管.給外柵加上偏置電壓時, 沿著環繞柵的界面生成二維載流……