Studi tentang Pengaruh Parameter Struktural dan Mekanisme Internal dari Transistor Efek Medan Terowongan Dua Arah yang Dikendalikan Gerbang Bilateral S/D Simetris dan Dapat Dipertukarkan
Abstrak
Transistor efek medan terowongan dua arah (B-TFET) yang dikontrol gerbang bilateral simetris dan dapat dipertukarkan (B-TFET) diusulkan dalam makalah ini, yang menunjukkan keunggulan karakteristik switching dua arah dan kompatibilitas dengan sirkuit terintegrasi CMOS dibandingkan dengan TFET asimetris konvensional. Efek dari parameter struktural, misalnya, konsentrasi doping N
+
wilayah dan P
+
wilayah, panjang N
+
wilayah dan panjang wilayah intrinsik, pada kinerja perangkat, misalnya, karakteristik transfer, Ipada –Akunonaktif rasio dan ayunan subthreshold, dan mekanisme internal dibahas dan dijelaskan secara rinci.
Pengantar
Konsumsi daya adalah salah satu masalah utama industri sirkuit terpadu. Jika perangkat bekerja dalam keadaan hidup, arus konduksinya harus mencapai nilai kritis tertentu; ketika arus mencapai nilai kritis, tegangan gerbang yang sesuai didefinisikan sebagai tegangan ambang. Ketika perangkat dalam keadaan mati, tegangan gerbang yang sesuai harus memiliki nilai yang berbeda dari tegangan dalam keadaan kritis, yang sering disebut tegangan tidak aktif. Konsep ayunan ambang batas (SS) berlaku untuk perangkat yang beroperasi antara keadaan mati dan keadaan kritis, yang sama dengan perubahan tegangan gerbang ketika arus meningkat dengan urutan besarnya. Ketika perangkat dirancang dengan baik, nilai arus kritis dalam keadaan, tegangan ambang dan tegangan tidak aktif dari perangkat telah ditentukan; kemudian, SS yang lebih kecil sesuai dengan perubahan arus yang lebih kuat di area subthreshold, arus statis perangkat yang lebih kecil dalam keadaan mati, dan konsumsi daya statis perangkat yang lebih rendah. SS transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET), yang merupakan sel satuan dasar yang banyak digunakan dalam sirkuit terpadu, dibatasi oleh mekanisme fisik arus yang dihasilkan saat perangkat bekerja dan tidak boleh lebih rendah dari nilai batas 60 mV/des. Untuk menerobos batasan ini, transistor efek medan terowongan (PIN atau NIP TFETs) berdasarkan teknologi berbasis silikon telah diusulkan dalam beberapa tahun terakhir. TFET konvensional dibentuk dengan menambahkan lapisan semikonduktor intrinsik doping rendah antara p - dan n -bahan semikonduktor tipe Dibandingkan dengan MOSFET, TFET memiliki keunggulan sensitivitas tinggi dan konsumsi daya statis yang rendah [1]. TFET diaktifkan dengan memodulasi tunneling kuantum melalui penghalang alih-alih memodulasi emisi termionik melalui penghalang seperti pada MOSFET tradisional. Dengan demikian, TFET tidak dibatasi oleh ekor pembawa termal Maxwell–Boltzmann, yang membatasi SS MOSFET hingga 60 mV/des pada suhu kamar [2] (tepatnya 63 mV/des pada 300 K). Konsep ini diusulkan oleh Chang et al. saat bekerja di IBM [3]. Untuk pertama kalinya, Joerg Appenzeller dan rekan-rekannya di IBM mendemonstrasikan bahwa SS TFET bisa lebih rendah dari 60 mV/des. TFET dapat digunakan sebagai sakelar elektronik hemat energi [4], yang menerobos hambatan MOSFET dan sangat mengurangi konsumsi daya IC. Proses produksi kompatibel dengan MOSFET. Kemungkinan untuk menggantikan transistor MOSFET sebagai unit dasar dari sirkuit terpadu generasi berikutnya. Oleh karena itu, TFET telah menjadi topik hangat dalam beberapa tahun terakhir [5, 6]. Untuk meningkatkan kinerja TFET dalam hal SS, arus konduksi maju dan kebocoran balik, banyak penelitian tentang desain struktur dan optimasi perangkat TFET, yang terutama berfokus pada peningkatan bentuk struktur saluran perangkat dan elektroda gerbang [7 ,8,9,10,11,12] dan bahan dielektrik gerbang dengan fungsi kerja yang berbeda. Analisis karakteristik dan optimasi struktur bahan dielektrik gerbang [13,14,15] dan dielektrik gerbang dengan konstanta dielektrik yang berbeda telah dilakukan [15,16,17,18,19,20]. Dalam fisika perangkat, pemodelan analitis TFET dengan struktur gerbang ganda [21,22,23,24,25,26,27] dan struktur gerbang sekitar [28,29,30,31,32,33] juga telah telah dilakukan secara ekstensif. Salah satu kelemahan TFET berbasis silikon dibandingkan dengan MOSFET adalah arus maju yang lebih kecil, dan besarnya arus maju ditentukan oleh efisiensi pembangkitan arus tunneling. Efisiensi pembangkitan arus tunneling dapat ditingkatkan dengan mengurangi celah pita antara pita valensi dan pita konduksi pada daerah yang digunakan untuk membangkitkan arus tunneling band-to-band atau dengan mengurangi ketebalan daerah tunneling. Oleh karena itu, dalam rekayasa material, perangkat TFET berdasarkan bahan semikonduktor celah pita sempit dan struktur terowongan heterojungsi telah dikembangkan secara ekstensif [34,35,36,37,38]. Sementara itu, pengenalan material dua dimensi ke dalam TFET sebagai lapisan tunneling dengan ketebalan ultra tipis telah dipelajari secara ekstensif [39,40,41,42,43,44]. Selain itu, beberapa makalah telah melaporkan keandalan TFET, seperti efek doping sumber pada tunneling band gap interleaving [45], efek trap-assisted tunneling pada karakteristik subthreshold TFET [46], dan efek random doping pada gangguan kinerja perangkat [47]. Namun, hasil penelitian saat ini terutama ditujukan pada karakteristik kerja dasar dan prinsip kerja TFET tunggal, dan tujuan mendasar yang paling penting dari penelitian dan pengembangan TFET adalah untuk menyediakan unit struktural dasar dengan konsumsi daya yang lebih rendah dan menggantikan struktur MOSFET yang ada. . Untuk mencapai tujuan mendasar ini, itu harus diatur dalam sirkuit khusus untuk memverifikasi kompatibilitasnya dengan teknologi MOSFET. Saat ini, penelitian tentang strategi desain sirkuit berbasis perangkat TFET secara bertahap dilakukan, seperti sirkuit sinyal analog dan campuran [48,49,50], sirkuit logika digital [50, 51], desain sirkuit manajemen daya [52]. Ada juga studi tentang desain sirkuit hybrid berdasarkan MOSFET dan TFET [53]. Namun, jenis doping dari wilayah sumber dan wilayah drainase saling berlawanan, yang menciptakan asimetri wilayah sumber dan wilayah drainase. Struktur asimetris ini tidak memungkinkan untuk sepenuhnya menggantikan MOSFET dengan simetri source/drain.
Ambil n -ketik TFET sebagai contoh. Sisi dengan p -jenis pengotor digunakan sebagai wilayah sumber, sedangkan sisi lain dengan n -jenis pengotor digunakan sebagai daerah pembuangan. Ketika perangkat bekerja, perbedaan potensial positif harus diterapkan dari daerah pembuangan ke daerah sumber. Jika elektroda sumber dan elektroda pembuangan dipertukarkan, yaitu p -jenis wilayah pengotor diatur pada potensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan n -ketik wilayah pengotor, lalu persimpangan PN yang dibentuk oleh p -jenis wilayah pengotor dan n -daerah pengotor akan selalu dalam keadaan bias positif, yang menyebabkan kegagalan fungsi kontrol elektroda gerbang, TFET akan hampir selalu dalam keadaan hidup dan tidak dapat dimatikan. Dengan kata lain, hal itu menyebabkan kegagalan fungsi sakelar TFET. Dengan kata lain, modul fungsional sirkuit (seperti gerbang transmisi), yang harus menggunakan karakteristik switching dua arah dari transistor untuk bekerja secara normal, sulit diwujudkan menggunakan TFET konvensional dengan struktur sumber dan saluran asimetris, untuk memecahkan masalah ini. , kami mengusulkan TFET dua arah yang simetris dan dapat dipertukarkan saluran sumber (B-TFET) [54], yang menunjukkan keunggulan karakteristik switching dua arah dan kompatibilitas dengan sirkuit terintegrasi CMOS dibandingkan dengan TFET asimetris tradisional. Dalam makalah ini, kami mengusulkan B-TFET yang dikendalikan gerbang bilateral yang dimodifikasi dengan saluran planar. Efek parameter struktural utama, seperti konsentrasi doping N
+
wilayah dan P
+
wilayah, panjang N
+
wilayah dan panjang wilayah intrinsik, pada kinerja perangkat, misalnya, karakteristik transfer, Ipada –Akunonaktif rasio dan ayunan subthreshold, dijelaskan secara rinci berdasarkan analisis fisik. Setelah itu, parameter struktural utama ini dioptimalkan.
Metode
Gambar 1a menunjukkan tampilan atas skema dari N-Type B-TFET yang dikontrol gerbang bilateral dengan saluran planar. Gambar 1b menunjukkan tampilan silang dari N-Type B-TFET yang dikontrol gerbang bilateral. Tidak seperti TFET konvensional, B-TFET yang diusulkan benar-benar simetris, sumber/penguras P
+
yang dapat dipertukarkan Daerah -doped terletak di setiap sisi badan silikon, dan elektroda gerbang diletakkan di kedua sisi badan silikon. Seluruh struktur perangkat simetris. N
+
daerah -doped berada di bagian tengah tubuh silikon. L dan A adalah seluruh panjang dan seluruh lebar perangkat yang diusulkan, masing-masing. Li adalah panjang daerah intrinsik; LT+ adalah panjang N
+
wilayah; LS/D dan AS/D adalah panjang dan lebar P
+
sumber/tiriskan daerah yang dapat dipertukarkan, masing-masing; \(T\) adalah ketebalan badan silikon; \(t_{{{\text{ox}}}}\) adalah ketebalan oksida gerbang; \(t_{i}\) adalah ketebalan daerah terowongan intrinsik antara daerah S/D dan oksida gerbang.
a Tampilan atas skema dari N-Type B-TFET yang dikontrol gerbang bilateral dengan saluran planar. b Tampilan silang dari N-Type B-TFET yang dikontrol gerbang bilateral
Dalam makalah ini, semua model fisik seperti model statistik Fermi, model mobilitas CVT, model rekombinasi Auger, model penyempitan celah pita dan model tunneling band-to-band standar dihidupkan. Semua parameter perangkat dalam makalah ini tercantum dalam Tabel 1.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a, b menunjukkan karakteristik transfer, rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) dan SS rata-rata dengan \(N_{ D}\) (\(10^{18}\)–\(10^{21} \,{\text{cm}}^{ - 3}\)). Pada Gambar. 2a, \(N_{D}\) mempengaruhi intensitas arus bocor saluran-ke-sumber dengan bias terbalik. Dengan peningkatan konsentrasi doping, arus bocor ditekan secara signifikan, dan arus maju tidak berubah secara signifikan. Pada Gambar. 2b, SS dan \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) juga dipengaruhi oleh \(N_{D}\ ). Dengan meningkatnya konsentrasi doping, karena arus bocor balik ditekan secara signifikan, arus pada titik operasi statis berkurang, sehingga SS rata-rata juga berkurang. Karena arus maju jauh lebih sedikit terpengaruh daripada kebocoran balik, rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) meningkat dengan peningkatan dalam konsentrasi doping. Gambar 2c, d menunjukkan distribusi potensial 2 dimensi dari B-TFET yang diusulkan dengan \(N_{D}\) sama dengan 10
19
cm
−3
dan 10
21
cm
−3
, masing-masing. Ketika elektroda gerbang dibias mundur, medan listrik yang kuat akan dihasilkan antara elektroda saluran bias maju dan elektroda gerbang bias mundur, yang menghasilkan tunneling band-to-band yang kuat di dekat daerah saluran. Di antara pasangan elektron-lubang yang dihasilkan, elektron dapat langsung mengalir keluar dari elektroda pembuangan, sedangkan lubang pita valensi harus mengalir melalui N
+
daerah, selanjutnya ke daerah intrinsik di sisi sumber dan dibuang oleh elektroda sumber untuk membentuk arus bocor terus menerus. Untuk meminimalkan arus bocor, lubang yang dihasilkan oleh tunneling band-to-band harus secara efektif diblokir agar tidak mengalir keluar dari wilayah N + . Dibandingkan dengan daerah N + dengan konsentrasi yang lebih rendah, daerah N +dengan konsentrasi yang lebih tinggi membentuk beda potensial yang lebih besar antara daerah P +dan daerah N +, yaitu nilai potensial pada batas antara daerah intrinsik dan daerah N + akan meningkat dengan peningkatan \(N_{D}\) karena daerah N + dengan konsentrasi yang lebih tinggi dapat menghasilkan perbedaan konsentrasi elektronik yang lebih besar antara sumber dan saluran. Kemudian, lebih banyak elektron dapat berdifusi dari daerah N + ke daerah intrinsik di kedua sisi daerah N + , yang meningkatkan jumlah muatan positif (terutama terdiri dari donor) di daerah N + setelah ionisasi dan akibatnya meningkatkan potensial perbedaan antara daerah P + dan daerah N + . Justru karena wilayah N + dengan konsentrasi doping yang lebih tinggi memiliki potensi yang lebih tinggi daripada sisi sumber dan sisi drainase setelah ionisasi, lubang yang dihasilkan oleh tunneling band-to-band di dekat wilayah drain dapat diblokir secara lebih efektif, yang lebih efektif mengurangi arus bocor.
a \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{gs}}}}\) karakteristik transfer dan b variasi dalam SS dan rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}}\) dari B-TFET yang diusulkan dengan \(N_{D) yang berbeda }\); distribusi potensial 2 dimensi dengan bias terbalik dengan cTD = 10
19
cm
−3
dan dTD = 10
21
cm
−3
Selain konsentrasi doping wilayah N + , parameter kunci lain dari wilayah N + , yang secara signifikan dapat mempengaruhi arus bocor bias terbalik, adalah panjang wilayah N + . Gambar 3a, b menunjukkan karakteristik transfer \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{gs}}}}\) dari B-TFET yang diusulkan dengan yang berbeda LT+ . Arus bocor dengan bias terbalik sebagian besar menurun dengan meningkatnya LT+ . Seperti yang ditunjukkan Gambar. 2b, ayunan subambang dan \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) juga dipengaruhi oleh LT+ . Dengan peningkatan LT+ , karena arus bocor balik ditekan secara signifikan, arus pada titik operasi statis dan SS rata-rata juga berkurang. Arus maju jauh lebih sedikit terpengaruh daripada kebocoran balik, dan rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) meningkat dengan peningkatan di LT+ . Gambar 3c, d menunjukkan distribusi konsentrasi lubang 2 dimensi dari B-TFET yang diusulkan dengan LT+ sama dengan 2 nm dan 80 nm, masing-masing. Ketika LT+ sama dengan 2 nm, konsentrasi lubang minimal di wilayah N + lebih besar dari 10
17
cm
−3
, sedangkan saat LT+ sama dengan 80 nm, konsentrasi lubang minimal kurang dari 10
14
cm
−3
. Peningkatan panjang daerah N + meningkatkan kemampuannya untuk mencegah lubang melewati daerah N + . Sebagai pembawa minoritas non-ekuilibrium di daerah N + , ketika daerah N + lebih panjang, lebih banyak lubang yang akan bergabung kembali dengan elektron sebelum melewati daerah N +, sehingga pertambahan panjang daerah N + juga dapat membentuk arus bocor dengan bias mundur terus menerus. Rata-rata SS dapat dikurangi menjadi 40,2 mV/des, dan rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) dapat melebihi 10
10
.
a \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{gs}}}}\); b variasi dalam SS dan rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) dari B-TFET yang diusulkan dengan L yang berbeda T+; Distribusi konsentrasi lubang 2 dimensi dari B-TFET yang diusulkan di bawah bias terbalik untuk LT+ sama dengan (3) 2 nm dan (4) 80 nm
Gambar 4a, b menunjukkan karakteristik transfer \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{gs}}}}\) dan perubahan dalam SS dan \(I_{{{{ \text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) rasio B-TFET yang diusulkan dengan L yang berbeda i , masing-masing. Arus maju berkurang dengan meningkatnya Li karena hambatan daerah intrinsik sebanding dengan panjangnya sendiri. Kemudian, untuk memaksimalkan arus maju, panjang daerah intrinsik harus diminimalkan. Namun, penurunan panjang daerah intrinsik meningkatkan medan listrik di daerah intrinsik antara daerah sumber P + dan daerah N + , sehingga pita yang ditekuk di dekat daerah ini lebih besar daripada daerah intrinsik di dekat elektroda pembuangan, yang menginduksi arus bocor dengan bias lebih terbalik. Gambar 4c, d menunjukkan distribusi potensial bias terbalik 2 dimensi dari B-TFET yang diusulkan untuk Li sama dengan 4 nm dan 100 nm, masing-masing. Untuk L terpendek i (4 nm), medan listrik di daerah intrinsik antara daerah P + sumber dan daerah N + di dekat elektroda sumber jauh lebih kuat daripada di daerah intrinsik antara daerah P + drain dan daerah N + di dekat mengalirkan elektroda. Kemudian, arus bocor hampir tetap konstan, yang tidak tergantung pada perubahan tegangan gerbang. Gambar 4b menunjukkan bahwa rentang nilai optimal Li kira-kira 7–10 nm, di mana SS menurun ke nilai lembah 41 mV/des dan \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}} }\) rasio meningkat ke nilai maksimum hampir 10
8
.
a \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{gs}}}}\) karakteristik B-TFET dan b variasi dalam SS dan rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}}\) dengan \(L_{i}\); Distribusi potensi bias terbalik 2 dimensi dari B-TFET yang diusulkan untuk Li sama dengan c 20 nm dan d 100 nm
Gambar 5a, b menunjukkan \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{ds}}}}\) karakteristik transfer dan perubahan SS dan \(I_{{{{ \text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) rasio B-TFET yang diusulkan dengan \(N_{A}\ yang berbeda). Gambar 5a menunjukkan bahwa dengan meningkatkan konsentrasi daerah yang didoping P + , kita dapat memperoleh SS yang lebih sedikit dan arus maju yang lebih besar. Arus bocor dengan bias mundur tidak jelas dipengaruhi oleh perubahan \(N_{A}\), tetapi arus maju dapat ditingkatkan dengan peningkatan \(N_{A}\). Pada Gambar. 5b, rasio SS dan \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) dapat ditingkatkan dengan meningkatkan \(N_{A }\). Gambar 5c, d menunjukkan distribusi medan listrik 2 dimensi dari B-TFET yang diusulkan dengan \(N_{A}\) sama dengan 10
19
cm
−3
dan 10
21
cm
−3
, masing-masing. Peningkatan \(N_{A}\) meningkatkan medan listrik di wilayah terowongan intrinsik; kemudian, lebih banyak pasangan lubang elektron dapat dihasilkan melalui tunneling band-to-band, yang meningkatkan arus maju dari B-TFET yang diusulkan.
a \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{gs}}}}\) karakteristik transfer, b variasi dalam rasio SS dan \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) dari B-TFET yang diusulkan dengan \(N_{A} yang berbeda \). Distribusi medan listrik bias terbalik dua dimensi dari B-TFET yang diusulkan untuk \(N_{A}\) sama dengan (3) 10
19
cm
−3
dan (4) 10
21
cm
−3
Menurut diskusi di atas, baik \(N_{D}\) dan \(N_{A}\) harus disetel ke nilai semaksimal mungkin. Rentang nilai optimal Li adalah 7–10 nm. Namun, ada tradeoff antara konsumsi daya statis dan LT+ . Gambar 6 menunjukkan karakteristik transfer \(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{ds}}}}\) dari B-TFET yang dioptimalkan dengan LT+ . LT+ dapat dipilih sesuai dengan persyaratan desain konsumsi daya statis yang berbeda. Sebagai kompromi, untuk memastikan bahwa rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\) di atas 10
8
, LT+ direkomendasikan untuk berada di atas 20 nm. Arus aktif ditingkatkan menjadi sekitar 6 × 10
–6
A, dan SS dikurangi menjadi 38 mV/des.
\(I_{{{\text{ds}}}}{-}V_{{{\text{ds}}}}\) karakteristik transfer B-TFET yang dioptimalkan dengan LN+ yang berbeda
Kesimpulan
Dalam makalah ini, efek dari parameter struktural dan mekanisme internal dari transistor efek medan penerowongan dua arah yang dikontrol gerbang bilateral simetris dan dapat dipertukarkan dianalisis. Efek dari parameter kunci seperti konsentrasi dan panjang daerah N + , panjang daerah intrinsik antara daerah P + dan N + , dan konsentrasi daerah P + telah dibahas secara rinci. Dibandingkan dengan TFET konvensional, B-TFET memiliki keunggulan ketahanan yang kuat terhadap arus bocor yang dibias terbalik. Setelah itu, kinerja yang baik seperti SS rata-rata yang lebih rendah dan rasio \(I_{{{\text{on}}}}{-}I_{{{\text{off}}}}\ yang lebih tinggi dapat diperoleh. Selain itu, karena simetri struktural dan karakteristik switching sumber/drain yang dapat dipertukarkan dan dua arah, ini lebih kompatibel dengan sirkuit CMOS.
Ketersediaan data dan materi
Kami menyertakan pernyataan ketersediaan data dan materi untuk diri kami sendiri dan atas nama rekan penulis kami di bawah "Kepentingan yang bersaing". Semua data dan materi yang tersedia adalah karya asli. Semua data telah diberikan dengan jelas dalam naskah tanpa data tambahan dan bahan pendukung.
Singkatan
L :
Seluruh panjang perangkat yang diusulkan
A :
Seluruh lebar perangkat yang diusulkan
Li :
Panjang wilayah intrinsik
LN+ :
Panjang N
+
wilayah
LS/D :
Panjang P
+
sumber/tiriskan wilayah yang dapat dipertukarkan
AS/D :
Lebar P
+
sumber/tiriskan wilayah yang dapat dipertukarkan
\(T\) :
Ketebalan tubuh silikon
\(t_{{{\text{ox}}}}\) :
Ketebalan gerbang oksida
\(t_{i}\) :
Ketebalan wilayah terowongan intrinsik antara wilayah S/D dan oksida gerbang
