【摘要】：近些年來,鐵電場效應晶體管得到了人們廣泛的關注與研究,它被用作鐵電存儲器的存儲單元,而鐵電存儲器由于其優(yōu)良的特性(存儲速度快、不易揮發(fā)、與集成電路工藝兼容、功耗低等)被認為是下一代比較理想的存儲器之一。隨著芯片集成度的不斷提高,功耗成為人們面臨的一個嚴峻問題,當鐵電場效應晶體管用作鐵電存儲器芯片自然也需要克服功耗問題,而研究表明,鐵電場效應晶體管的負電容效應可以有效的降低晶體管的功耗�；诖�,本文通過物理建模、數(shù)值分析,重點研究鐵電場效應晶體管的負電容效應。研究的主要內容及結論如下:1.基于Landau-Ginzburg-Devonshire唯象理論、泊松方程以及電流連續(xù)性方程,建立負電容PZT(PbZr1-xTixO3)雙柵場效應晶體管的物理模型,并分析鋯鈦比對其電學性能的影響,結果表明:鈦的比率對負電容PZT鐵電柵場效應晶體管的電學性能有一定的影響;當鈦的比率減小(0.065~0.035)時,由于鐵電材料的負電容效應,柵電容得到放大,硅表面勢放大能力增強,亞閾值擺幅降低,從而達到降低功耗的目的。該研究結果為解決鐵電場效應晶體管的功耗問題提供了新途徑;對其在快速開關方面的應用也有一定的意義。2.根據(jù)第2章的物理模型,研究、分析不同鐵電層厚度時,負電容PZT雙柵場效應晶體管的電學性能,我們得到了以下結論:在一定范圍內(120~200nm),通過增大鐵電層厚度可以增強負電容效應,增強硅表面勢放大能力,降低亞閾值擺幅,實現(xiàn)晶體管的低功耗操作。該結果為優(yōu)化負電容鐵電場效應晶體管的電學性能有較好的指導意義。3.根據(jù)第2章的物理模型,研究絕緣層厚度對負電容PZT雙柵場效應晶體管電學性能的影響。通過計算、分析,可以得到以下結論:隨著絕緣層厚度的增大(2~4 nm),電壓放大能力變差,柵電容尖峰減小,亞閾值特性變差。我們可以通過減小絕緣層厚度來提高電壓放大能力,增強負電容效應,降低晶體管功耗。該結果提供了一種解決鐵電場效應晶體管功耗問題的新途徑。4.根據(jù)第2章的物理模型,研究半導體硅厚度對負電容PZT雙柵場效應晶體管電學性能的影響。通過計算、分析,可以得到以下結論:半導體硅厚度對鐵電負電容效應的影響非常小,可以忽略不計。因而,我們在考慮鐵電負電容的影響因素時,可以忽略半導體硅厚度對負電容的影響,該結果可以為鐵電場效應晶體管的設計提供一定的理論指導。
[Abstract]:In recent years, ferroelectric field effect transistors have been paid more and more attention. They are used as memory cells of ferroelectric memory, and ferroelectric memory is easy to volatilize because of its excellent characteristics. It is considered to be one of the most ideal memory for the next generation. With the continuous improvement of chip integration, power consumption has become a serious problem that people face. When ferroelectric field effect transistors are used as ferroelectric memory chips, power consumption problems naturally need to be overcome. The negative capacitance effect of the ferroelectric field effect transistor can effectively reduce the power consumption of the transistor. Based on this, the negative capacitance effect of ferroelectric field effect transistors is studied by physical modeling and numerical analysis. The main contents and conclusions are as follows: 1. Based on Landau-Ginzburg-Devonshire phenomenological theory, Poisson equation and current continuity equation, the physical model of negative capacitance PZT (PbZr1-xTixO3) double gate field effect transistor is established, and the influence of zirconium titanium ratio on its electrical properties is analyzed. The results show that the ratio of titanium has a certain influence on the electrical properties of the negative capacitance PZT ferroelectric gate field effect transistor. When the titanium ratio decreases (0.065 ~ 0.035), the gate capacitance is amplified because of the negative capacitance effect of ferroelectric material, the potential amplification ability of silicon surface is enhanced, and the sub-threshold swing is reduced, thus the power consumption is reduced. The results provide a new way to solve the problem of power consumption of ferroelectric field effect transistors, and have a certain significance for its application in fast switching. 2. According to the physical model in Chapter 2, the electrical properties of negative capacitance PZT double gate field effect transistors with different thickness of ferroelectric layer are studied. The following conclusions are obtained: within a certain range (120~200nm), By increasing the thickness of the ferroelectric layer, the negative capacitance effect can be enhanced, the amplification ability of silicon surface potential can be enhanced, the sub-threshold swing can be reduced, and the low power operation of the transistor can be realized. The results are of great significance for the optimization of the electrical properties of the negative capacitive ferroelectric field effect transistors. 3. Based on the physical model in chapter 2, the influence of the thickness of insulation layer on the electrical properties of negative capacitance PZT double gate field effect transistors is studied. Through calculation and analysis, the following conclusions can be obtained: with the increase of the thickness of the insulation layer (2n4 nm), voltage amplification ability becomes worse, the peak of gate capacitance decreases, and the subthreshold characteristic becomes worse. We can increase the voltage amplification ability, enhance the negative capacitance effect and reduce the power consumption of the transistor by reducing the thickness of the insulation layer. This result provides a new way to solve the power problem of ferroelectric field effect transistors. 4. Based on the physical model in Chapter 2, the effect of semiconductor silicon thickness on the electrical properties of negative capacitor PZT double-gate field-effect transistors is studied. Through calculation and analysis, the following conclusions can be drawn: the influence of semiconductor silicon thickness on ferroelectric negative capacitance effect is very small and can be ignored. Therefore, when we consider the influence factors of ferroelectric negative capacitance, we can ignore the influence of semiconductor silicon thickness on negative capacitance, which can provide some theoretical guidance for the design of ferroelectric field effect transistor.
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN386

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