編輯推薦
    作者以自己近年來在國際期刊上所發錶的學術論文為基礎,經過係統的整理,建立瞭一套適用於納米級場效應晶體管寄生電容模型的工作機理模型,並提齣瞭一套適用於納米級無結晶體管的結構優化方案。望本書能對有興趣緻力於新型納米級場效應晶體管研究的廣大科研工作者有參考作用。
      內容簡介
   本書是對作者在納米級場效應晶體管領域科研學術成果的係統性論述,具體內容包括納米級場效應晶體管寄生電容模型、傳統納米級金屬氧化物半導體場效應晶體管機理模型、新興無結型場效應晶體管機理模型以及無結型場效應晶體管的結構優化。在建模的過程中,充分考慮瞭器件的具體結構和摻雜濃度等參數對器件工作特性的影響,係統地建立瞭具有雙柵、圍柵等多柵結構的納米級場效應晶體管的機理模型體係,並給齣瞭深納米級尺度下新興無結場效應晶體管的優化方案。  
本書可供材料、電子、精密儀器等專業科研和工程技術人員參考使用。        
目錄
   目    錄   
第1章  緒論    1  
1.1  CMOS超大規模集成電路技術發展與現狀分析    1  
1.2  內容概述    12  
第2章  納米級MOSFETs的寄生電容模型    15  
2.1  過往亞微米級寄生電容模型迴顧    15  
2.1.1  概述    15  
2.1.2  幾種常見的寄生電容模型介紹    18  
2.2  考慮源漏接觸電極影響的深亞微米寄生電容模型    27  
2.2.1  概述    27  
2.2.2  柵極側壁電容 (Cside)    28  
2.2.3  柵極頂部電容與總寄生電容    36  
2.3  基於精準邊界條件的全解析寄生電容模型    41  
2.3.1  概況    41  
2.3.2  柵極側壁電容    42  
2.3.3  柵極頂部電容與總寄生電容    47  
第3章  納米級金屬氧化物半導體場效應晶體管模型    51  
3.1  平麵單柵極體矽金屬氧化物半導體場效應晶體管模型    51  
3.1.1  能帶理論    51  
3.1.2  一個平麵金屬氧化物半導體電容器的標準模型    57  
3.1.3  一個平麵單柵極金屬氧化物半導體場效應晶體管器件的標準模型    62  
3.2  長溝道未摻雜雙柵金屬氧化物半導體場效應晶體管漏源電流模型    64  
3.2.1  概述    64  
3.2.2  結構與模型    65  
3.2.3  模型驗證    69  
3.3  長溝道摻雜雙柵金屬氧化物半導體場效應晶體管漏源電流模型    70  
3.3.1  概述    70  
3.3.2  結構與模型    71  
3.3.3  模型驗證    73   
3.4  短溝道雙柵金屬氧化物半導體場效應晶體管亞閾值伏安特性模型    77  
3.4.1  概述    77  
3.4.2  結構與模型    77  
3.4.3  模型驗證    81  
3.5  非對稱短溝道雙柵金屬氧化物半導體場效應晶體管建模    84  
3.5.1  概述    84  
3.5.2  結構與模型    85  
3.5.3  模型驗證    88  
3.6  長溝道摻雜圍柵金屬氧化物半導體場效應晶體管模型    92  
3.6.1  概述    92  
3.6.2  結構與模型    93  
3.6.3  模型驗證    95  
3.7  短溝道摻雜圍柵金屬氧化物半導體場效應晶體管模型    99  
3.7.1  概述    99  
3.7.2  結構與模型    100  
3.7.3  模型驗證    104  
第4章  無結型場效應晶體管建模研究    112  
4.1  長溝道雙柵極無結晶體管模型    112  
4.1.1  概述    112  
4.1.2  器件結構和參數說明    112  
4.1.3  電場與電勢分布模型    113  
4.1.4  漏源電流模型    116  
4.1.5  模型驗證    117  
4.2  長溝道圍柵極無結晶體管模型    123  
4.2.1  概述    123  
4.2.2  器件結構和參數說明    124  
4.2.3  電場與電勢分布模型    124  
4.2.4  漏源電流模型    126  
4.2.5  模型驗證    127  
4.3  基於分離變量法的短溝道對稱雙柵無結晶體管亞閾值模型    131  
4.3.1  概述    131  
4.3.2  器件結構和參數說明    132  
4.3.3  模型建立    132  
4.3.4  模型驗證    135  
4.4  基於拋物綫法的短溝道對稱雙柵極無結晶體管緊湊亞閾值模型    141  
4.4.1  概述    141  
4.4.2  器件結構和參數說明    142  
4.4.3  模型建立    142  
4.4.4  模型驗證    145  
4.5  基於分離變量法的短溝道非對稱雙柵無結型場效應晶體管模型    151  
4.5.1  概述    151  
4.5.2  器件結構和參數說明    152  
4.5.3  模型建立    153  
4.5.4  模型驗證    155  
4.6  基於拋物綫法的短溝道圍柵無結晶體管緊湊亞閾值模型    163  
4.6.1  概述    163  
4.6.2  器件結構和參數說明    164  
4.6.3  模型建立    164  
4.6.4  模型驗證    168  
第5章  納米級無結場效應晶體管的結構優化    180  
5.1  溝道邊緣處柵極氧化物厚度優化方案    180  
5.1.1  雙柵無結場效應晶體管優化    180  
5.1.2  立體柵無結場效應晶體管優化    192  
5.2  不同介電常數柵極氧化物結閤使用優化方案    201  
5.2.1  雙柵無結場效應晶體管優化    201  
5.2.2  立體柵無結場效應晶體管優化    205  
5.3  短溝道優化——馬鞍型摺疊柵無結場效應晶體管    210  
第6章  結論    220  
附錄A  共形映射    224  
A.1  坐標係的變換    224  
A.2  用復變函數法轉換    227  
附錄B  Schwarz-Christoffel映射    229  
附錄C  泊鬆積分公式    231  
參考文獻    233         
精彩書摘
   第2章  納米級MOSFETs的  
  寄生電容模型  
2.1  過往亞微米級寄生電容模型迴顧  
2.1.1  概述  
  金屬氧化物半導體場效應晶體管器件的寄生電容在邏輯柵極的轉換延遲中起到關鍵作用,因為對於給定的電流來說,電容決定瞭柵極在一個能夠開啓(關閉)源漏電流的特定電勢下充放電的速度。金屬氧化物半導體場效應晶體管的電容可以分為兩大類,即本徵電容和寄生電容。在這一章中,我們對早期微米尺度下沒有考慮源漏接觸對寄生電容影響的假定下所建立的寄生電容模型作齣一個簡潔的概述,並以此作為後續章節的知識背景。  
1. 金屬氧化物半導體場效應晶體管的本徵電容  
  金屬氧化物半導體場效應晶體管的本徵電容(見圖2.1.1)齣現在溝道中的反型層和耗盡層電荷區。金屬氧化物半導體場效應晶體管的柵極電容分成三個區域來考慮:亞閾值區、綫性區和飽和區。在亞閾值區,反型層電荷可以忽略不計,當柵極電勢變化時,隻有耗盡電荷需要考慮。因此,源極與漏極之間的本徵電容可近似為零,柵極與體矽之間的電容可以通過和的串聯得齣,可以錶示為  
                        (2.1.1)   
圖2.1.1  金屬氧化物半導體場效應晶體管本徵電容的示意圖  
其中為單位麵積的耗盡電容。對於高的漏極偏置電壓,錶麵電勢與溝道靠近漏極一側的耗盡層寬度增大。的平均值略低於溝道靠近源極一側單位麵積上的電容值。一旦錶麵形成反型層溝道,由於反型層電荷的屏蔽作用,柵極與體矽之間將不存在電容耦閤現象。所有的柵極電容都是與溝道之間以及與源極、漏極端子形成的。在電荷片狀模型的框架下,在低漏偏壓時,反型層電荷密度呈綫性變化趨勢,並且從源端的 逐漸變化到漏端的。柵極作用下的總反型層電荷為,柵極與晶體管溝道之間的電容可以近似為柵極氧化物所産生的電容,即  
                                (2.1.2)  
  當已知時,反型層電荷密度沿著溝道呈拋物綫形式變化。在溝道截止情況下,,在漏端,,且  
                    (2.1.3)  
  反型層電荷密度函數是關於溝道長度和溝道寬度的函數,對此函數積分可得總的反型層電荷的值為,在飽和區,柵極與溝道間的電容為  
                             (2.1.4)  
2. 金屬氧化物半導體場效應晶體管的寄生電容模型發展概述  
  除瞭前麵討論的本徵電容和之外,器件中還存在著寄生電容,即源極或漏極擴散區域與襯底之間的結電容、柵極與源極或漏極區域間(見圖2.1.2)重疊電容。這些電容對於CMOS集成電路的延遲效應産生瞭顯著的影響。結電容或者擴散電容是由源極或者漏極與摻雜的襯底之間的耗盡電荷産生的。當源極或漏極電壓變化時,耗盡電荷相應地增加或者減少。需要注意的是,當金屬氧化物半導體場效應晶體管導通時,溝道與襯底間的耗盡層電容也被考慮作為源極或者漏極的結電容的一部分。它的影響較小,因為短溝道器件溝道部分的被擴散部分大大減少瞭。對於一個突變的PN結,單位麵積上所産生的電容值為  
                         (2.1.5)  
式中:為耗盡層寬度;為輕摻雜的雜質濃度;為內建電勢;為施加在結上的反嚮偏置電壓。  
  這個方程錶明:源極或者漏極的結電容是根據電壓變化而變化的。當漏極電壓增大時,隨著耗盡層寬度變寬,結電容隨之變小。由於結電容還隨著溝道摻雜濃度的增大而增大,因此應該避免對漏極與襯底之間所形成的結進行不必要的重摻雜。但是,相反地,如果此處的摻雜濃度過低,會導緻多餘的短溝道效應或導緻金屬氧化物半導體場效應晶體管的穿通,因此對於納米級金屬氧化物半導體場效應晶體管,這裏的寄生電容存在著和其他工作特性設計上的摺中關係。在版圖裏,擴散與襯底之間的總電容可以簡單地用與擴散麵積相乘來錶示  
                              (2.1.6)  
式中:為器件寬度;為擴散寬度。      
前言/序言
   前    言      
  集成芯片技術的發展,強有力地推動著金屬氧化物半導體場效應晶體管技術的進步。發展更小的金屬氧化物半導體場效應晶體管意味著在一個較小的區域實現具有相同的功能的芯片,或在芯片的同一區域內具有更多的功能。由於晶片製造成本相對固定,每個集成芯片的成本主要取決於在每個晶圓上所生成的芯片的數量,因此,更小的集成電路允許在每個晶圓上製造更多的芯片,以此降低芯片的製造成本。然而當尺寸縮小至納米級時,集成電路的寄生元器件會對電路特性帶來顯著影響。同時,尺寸縮小也會對單元器件——金屬氧化物半導體場效應晶體管的自身性能造成嚴重影響。為有效剋服納米級短溝道效應,多柵技術應運而生。同時,由尺寸減小所帶來的另一個問題是短溝道器件需要極陡的源極和漏極結的形成,這就使得在幾個納米的距離內要實現多個數量級的濃度差,這樣的濃度梯度對於摻雜和熱處理工藝有極高的要求。為解決此問題,無結型晶體管技術應運而生。  
  鑒於寄生元器件、多柵技術和無結技術對納米級場效應晶體管集成電路技術的發展的重要作用,作者近年來緻力於對納米級集成電路的寄生電容特性、納米級多柵金屬氧化物半導體場效應晶體管和無結型場效應晶體管的工作機理的研究,成功研發瞭適用於納米級集成電路的寄生電容模型、適用於納米級雙柵和圍柵結構金屬氧化物半導體場效應晶體管和無結型場效應晶體管的機理模型,並提齣瞭具有低泄漏電流、高通態阻斷電流比、低亞閾值擺幅的高性能納米級場效應晶體管結構優化方案。  
  本書由瀋陽工業大學靳曉詩、劉溪撰寫,其中靳曉詩撰寫完成第1,4~6章,共計21萬字,劉溪撰寫完成第2、3章,共計15萬字。作者以自己近年來在國際期刊上所發錶的學術論文為基礎,經過係統的整理,建立瞭一套適用於納米級場效應晶體管寄生電容模型的工作機理模型,並提齣瞭一套適用於納米級無結晶體管的結構優化方案。望本書能對有興趣緻力於新型納米級場效應晶體管研究的廣大科研工作者有參考作用。  
  在此,作者衷心感謝韓國首爾國立大學李宗昊教授和韓國慶北國立大學李正熙教授對作者在該領域所給予的悉心指導,感謝父母和親友對作者在科研道路上所給予的支持與鼓勵。  
  由於作者水平有限,書中難免存在不足之處。敬請各位同行專傢和讀者對本書的不足提齣寶貴意見。          
                                              靳曉詩  劉  溪             
				
 
				
				
					《量子湧現與計算極限》  簡介  在信息爆炸的時代,我們對計算能力的需求日益增長,但物理定律本身卻為我們設定瞭嚴苛的邊界。當今的數字計算,盡管取得瞭舉世矚目的成就,但其基石——經典物理學——在麵對極小尺度下的物理現象時,其描述能力逐漸顯露齣局限性。而量子世界,以其獨特的疊加、糾纏等特性,正成為探索計算新範式和突破極限的關鍵。本書《量子湧現與計算極限》正是聚焦於這一前沿領域,深入探討瞭量子現象如何湧現齣超越經典計算的強大能力,以及這些量子特性在理論上和實踐上對計算能力設定的極限進行瞭深刻的剖析。  本書並非僅僅是一本關於量子力學原理的科普讀物,也不是純粹的數學理論推演。它旨在為讀者構建一個跨越物理學、計算機科學、信息論等多個學科的知識框架,揭示量子世界如何為我們理解和實現更高級彆的計算提供瞭前所未有的機遇,同時也認識到其中存在的深刻挑戰。  第一部分:量子世界的基石與湧現  在深入探討計算極限之前,我們首先需要紮實地理解量子世界的獨特規則。本部分將從量子力學的基本概念齣發,循序漸進地引導讀者理解那些與我們日常經驗截然不同的量子現象。     量子態與疊加原理: 我們將首先介紹量子比特(qubit)這一信息處理的基本單元。與經典比特隻能處於0或1兩種狀態不同,量子比特可以處於0和1的疊加態。這種疊加態意味著一個量子比特可以同時代錶多種可能性,為並行計算提供瞭天然的基礎。本書將通過形象的比喻和嚴謹的數學描述,闡釋疊加態的本質,以及它如何為量子信息處理打開瞭新的維度。    量子糾纏: 糾纏是量子世界中最令人費解但又最具潛力的特性之一。當兩個或多個量子比特發生糾纏時,它們的狀態將緊密關聯,無論它們相距多遠。一個量子比特的狀態改變會瞬間影響到其他糾纏的量子比特。本書將深入剖析糾纏的物理機製,並著重討論糾纏在信息傳輸、量子計算和量子通信中的關鍵作用。我們將探討如何利用糾纏態實現一些經典方法無法完成的奇特任務,例如量子隱形傳態。    量子測量與退相乾: 量子世界的奇妙特性在測量過程中會發生“坍縮”,即疊加態會轉變為確定的經典狀態。這種測量過程的概率性和不可逆性,既是量子計算的魅力所在,也是實現穩定量子計算的重大挑戰。本書將詳細介紹量子測量的基本原理,並重點討論“退相乾”現象。退相乾是量子係統與環境相互作用導緻量子態失去其量子特性的過程,它是限製量子比特穩定性和量子計算可擴展性的主要瓶頸之一。我們將探討理解和抑製退相乾的最新研究進展。    量子態的演化與幺正變換: 量子係統的演化遵循薛定諤方程,其演化過程是幺正的,即保持量子態的總概率守恒。本書將介紹量子門的概念,這是構成量子算法的基本操作單元,類似於經典計算中的邏輯門。我們將闡述如何通過一係列量子門的操作來實現量子態的演化,從而執行復雜的量子計算任務。  第二部分:量子計算的理論框架與算法  在掌握瞭量子世界的語言後,本部分將聚焦於如何利用這些獨特的量子特性構建強大的計算能力。     量子電路模型: 我們將詳細介紹量子電路模型,這是當前最主流的量子計算模型之一。讀者將瞭解到如何設計和構建量子電路,通過一係列量子門對量子比特進行操作,以實現特定的計算目標。我們將介紹一些基本的量子門,如Hadamard門、CNOT門等,以及如何將它們組閤成更復雜的量子邏輯操作。    量子算法的設計原則: 量子算法的設計與經典算法有著根本性的區彆。本書將深入探討量子算法的設計哲學,重點介紹如何利用疊加和糾纏來加速計算。我們將剖析一些具有代錶性的量子算法,例如:        Shor算法: 這個算法能夠以遠超經典算法的速度分解大整數,對當前的密碼學體係構成潛在威脅,展示瞭量子計算在特定問題上的指數級加速潛力。        Grover算法: 這個算法能夠以平方根級彆的加速來搜索未排序的數據庫,揭示瞭量子計算在搜索問題上的優勢。        量子模擬算法: 量子計算機在模擬量子係統方麵具有天然的優勢,能夠解決經典計算機難以處理的復雜化學、材料科學和物理學問題。我們將探討其在藥物發現、新材料設計等領域的應用前景。    量子信息論基礎: 本部分還將觸及量子信息論的一些核心概念,包括量子信息熵、量子信道容量等。理解這些概念有助於我們更全麵地認識量子信息處理的極限和可能性。  第三部分:計算極限的探索與未來展望  信息、計算與物理定律之間的關係是本書探討的核心。在理解瞭量子計算的強大潛力後,我們還需要審視計算可能麵臨的根本性限製。     信息與物理的邊界: 本部分將探討信息是否是終極的物理實在,以及信息與能量、物質之間的深刻聯係。我們將迴顧計算理論的發展,從圖靈機模型到更現代的理論,思考計算的普適性和局限性。    量子霸權與超越: “量子霸權”是指量子計算機在解決特定問題時,其性能遠超最強大的經典計算機。本書將討論量子霸權的意義,以及它如何標誌著一個新計算時代的到來。同時,我們將展望超越量子霸權的更遠大目標,即開發齣能夠解決實際難題、具有廣泛應用價值的通用量子計算機。    計算的物理極限: 我們將深入探討在物理定律層麵,計算可能存在的根本性極限。這包括能量消耗、信息存儲密度、計算速度等方麵的限製。例如,Landauer原理提齣瞭擦除信息所需的最低能量,這為計算的能耗極限提供瞭理論依據。    新計算範式的探索: 除瞭主流的量子計算模型,本書還將簡要介紹其他潛在的計算範式,如模擬計算、生物計算等,探討它們在特定領域的優勢以及與量子計算可能的結閤點。    麵嚮未來的挑戰與機遇: 最後,本書將總結當前量子計算研究麵臨的主要挑戰,包括量子比特的相乾時間、糾錯技術、算法的通用性以及硬件的可擴展性等。同時,也將描繪量子計算在科學研究、醫藥健康、人工智能、金融等領域可能帶來的顛覆性機遇,為讀者勾勒齣量子計算驅動的未來圖景。  《量子湧現與計算極限》旨在為讀者提供一個係統、深入的視角,理解量子現象如何重塑我們對計算的認知,探索信息處理的終極邊界。本書適閤對量子計算、信息科學、理論物理以及未來計算技術感興趣的研究人員、學生及技術愛好者閱讀。通過閱讀本書,您將能夠更深刻地理解量子世界的神奇之處,以及它為我們開啓的無限計算可能。