具有雙括號柵的XNOR神經元突觸研究

孫曉彤，靳曉詩

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引言

當今大多數信息處理工作是利用傳統的計算機軟件實現的，傳統的計算機軟件是存算分離體系，已日漸不適應大數據信息時代存算一體的要求。在具有大規模并行、自適應、自學習能力且能耗極低的人腦中，信息的存儲與運算并沒有明確的界限[1]。受到人腦工作特點的啟示，新型納米晶體管器件技術產生了，被應用在計算機系統硬件方面，旨在實現對人腦中突觸及神經元的模擬，構建存算一體的計算機系統[2]。

與傳統的MOSFET 晶體管不同，肖特基勢壘場效應晶體管用金屬代替了傳統的離子注入形成源漏區，載流子在源區與溝道之間的勢壘存在隧穿效應[3]。基于肖特基勢壘隧穿效應的導通機制，在此提出一種新型場效應晶體管。新器件增大金屬與體硅接觸面積，改變雙括號形柵極柵壓，源漏與體硅肖特基接觸形成隧穿電流作為正向導通電流；中央雙柵可以有效抑制反向漏電流。利用這一雙柵極結構的單個晶體管的漏電流大小可實現異或非門邏輯功能（XNOR），用作神經元突觸器件[4]。新型晶體管減小了常規MOSFET 的短溝道效應和源漏穿通問題，為MOS 器件繼續減小尺寸提供了可能[5]。其實現的高導通電流、小反向漏電流、低亞閾值擺幅和高集成度，應用在二進制神經網絡中，皆有益于建立規模較大的神經網絡。

2 器件設計與工作原理

2.1 器件結構及關鍵參數

新型晶體管具有雙括號形柵與雙柵共同控制的特征，在Silvaco TCAD 軟件的Devedit 模塊中生成的結構示意圖以及關鍵參數標注如圖1 所示。圖中，晶體管源漏區與體硅接觸形成肖特基勢壘，兩側控制柵極（cgate）看似雙括號形，主要控制源漏區；中央控制雙柵電極（pgate）在上下兩個方向控制溝道。詳細的參數定義與取值如表1 所示。

圖1 雙括號柵與雙柵共同控制型FET 結構示意圖

表1 參數數值

2.2 工作原理

雙括號柵與雙柵共同控制型場效應晶體管是一種用金屬取代雜質摻雜作為源漏區與半導體形成肖特基勢壘的器件[6]。新型晶體管的兩側控制柵（以CGs 表示）利用肖特基隧穿效應作為正向導通電流的導通機制[7]；中央控制雙柵（用PGs 表示）利用傳統MOSFET 正向導通電流的導通機制，控制溝道內載流子的流動，減小漏電流。PGs 與CGs 共同工作可實現XNOR 操作。

以N 型為例，CGs 為正向偏置，當PGs 為正向偏置，電子空穴對主要由源極的帶帶隧穿產生，在CGs 的柵控作用下，電子從源極流出并聚集在溝道的兩側，從源極流向漏極形成漏電流，器件處于導通狀態[8]；反之，PGs 為反向偏置，PGs 會阻止電子繼續流向漏極，漏電流減小，器件處于關斷狀態。CGs和PGs 可以作為XNOR 操作的兩個輸入，當兩個電極極性一致時，器件均處于導通狀態，相當于XNOR操作中的高電位；當兩個電極不一致時，器件處于關斷狀態，相當于XNOR 操作中的低電位。

在雙括號形控制柵和中央控制雙柵的共同控制下，新型晶體管實現XNOR 操作取決于這兩處柵壓VPG和VCG的極性，并以漏電流ID作為XNOR 操作結果輸出，具體工作情況如表2 所示。

表2 新型晶體管XNOR 運算實現過程

3 仿真與分析

對新器件結構的模型仿真采用Silvaco TCAD半導體仿真軟件進行。仿真中使用到的模型包括：玻爾茲曼統計分布函數、俄歇復合模型、肖克基復合模型、能帶變窄模型以及帶-帶隧穿標準模型。

3.1 直流特性仿真

3.1.1 以柵壓為參數的轉移特性

在漏極外加固定電壓0.1 V，源極接地，分別以新型晶體管的兩個柵壓Vpg和Vcg作為參數，仿真得出對應的Vcg-IDS及Vpg-IDS轉移特性曲線，如圖2 所示。在圖2(a)的情況下，模擬的是肖特基帶帶隧穿導通機制。可以看出，以N 型為例，參數Vpg的改變影響器件的反向漏電流。這說明當Vcg偏置對體硅溝道柵控作用一定時，Vpg電壓數值越大，源漏區與體硅之間的能帶彎曲就越大，對空穴形成的潛在勢壘就越高，從而有效抑制空穴從源極流向漏極。

圖2 以柵壓為參數的轉移特性仿真曲線

圖2(b)模擬的是通常的MOSFET 導通機制。可以看出，CGs 既要控制體硅溝道中載流子的傳輸，又要輔助PGs 抑制漏電流的大小，因此，Vcg數值越大，能帶彎曲幅度也越大，從而對體硅溝道中載流子流動的控制作用越大。

綜合來看，在保證PGs 和CGs 的電子盡可能多地從源極流向漏極的同時，還要通過勢壘高度有效地抑制空穴流向漏極，因此，PGs 和CGs 外偏置電壓同為0.8V（-0.8V）時效果最佳。

3.1.2 以氧化層厚度為參數的轉移特性

在漏極外加固定電壓0.1V 且源極接地，以新型晶體管的絕緣氧化層厚度tOX作為參數，在Vpg外加固定電壓0.8V 條件下，仿真得到Vcg-IDS轉移特性曲線以及器件結構中U 形溝道水平部分的能帶圖，如圖3 所示。綜合觀察圖(a)和圖(b)可見，tOX增大，反向漏電流隨之增加。這是由于源漏區與體硅間的肖特基勢壘增高，抑制空穴從源極流向漏極。而另一方面，按圖1 所示，減小tOX則相當于將Vcg與Vpg的距離拉近，接近到一定程度（無限接近）時相當于新型晶體管具有一個環柵結構，器件始終工作在導通狀態，此時新型晶體管失去了XNOR 邏輯門的功能。因此，tOX一定要控制在合適的取值范圍內，例如，5nm 是一個比較合適的距離。

圖3 以tOX 為參數轉移特性及能帶圖仿真結果

3.2 XNOR 邏輯功能仿真

由圖1 的器件結構平面圖、表2 的邏輯原理以及圖3 的仿真結果可知，新型晶體管通過Vcg和Vpg兩個控制柵極共同作用能夠實現XNOR 邏輯功能，以兩個控制柵極分別作為XNOR 邏輯門的兩個輸入，漏電流IDS作為XNOR 邏輯的輸出。圖4 清晰地展示了在單個新型晶體管器件中的XNOR 操作的等高線圖。

圖4 以漏電流作為XNOR 輸出結果的等高線圖

由圖中可以看出，當Vpg和Vcg都為正向偏置和都為反向偏置時，即兩個柵的極性相同時，等高線圖中的漏電流IDS很大，區域顏色偏深，說明此時器件處于導通狀態，對應于XNOR 操作中的高電位“1”輸出；當Vpg和Vcg一個為正向偏置，另一個為反向偏置，即兩個柵極性不同時，等高線圖中的漏電流IDS很小，區域顏色很淺，說明此時器件處于阻斷狀態，對應于XNOR 操作中的低電位“0”輸出。這樣，通過兩個控制柵電極的兩種導通方式實現了漏電流的高導通和低導通，即實現了XNOR 邏輯門功能。

4 結 束 語

有著全新結構設計的雙括號柵與雙柵共同控制型場效應晶體管，在單個器件結構中同時利用肖特基勢壘隧穿效應和傳統MOSFET 導通機制，實現了XNOR 邏輯門功能。新型晶體管同時還有著更高的導通電流、更低的亞閾值擺幅、更小的漏電流和更高的集成度，可以作為一個突觸器件，在二進制神經網絡技術的應用中發揮作用，有廣闊的應用前景。