Vergelijkende studie van negatieve capaciteitsveldeffecttransistoren met verschillende MOS-capaciteiten

Resultaten en discussie

Figuur 2a geeft de gemeten I . weer _DS -V _GS curven van een paar NCFET en controle MOSFET met 40 min oppervlaktepassivering. Beide apparaten hebben een poortlengte L _G van 3,5 m. Het NC-apparaat met 40 min-passivering heeft een aanzienlijk verbeterde I _DS dan de controle MOSFET. De overdrachtscurven van NCFET vertonen een niet-hysteretisch kenmerk. Punt SS versus I _DS curven in figuur 2b laten zien dat de NC-transistor SS heeft verbeterd ten opzichte van het besturingsapparaat, hoewel SS van minder dan 60 mV / decennium niet verschijnt. Figuur 2c laat zien dat NC-transistor een aanzienlijk versterkte lineaire transconductantie G . verkrijgt _m over het bedieningsapparaat bij V _DS van − 0.05  V. Figuur 3 vergelijkt de elektrische prestaties van NCFET en controle MOSFET met oppervlaktepassivering gedurende 60 min. Evenzo, de I _DS , punt SS en G _m van NCFET zijn superieur aan die van controle MOSFET.

een De gemeten I _DS -V _GS curven van de NCFET en controle MOSFET met 40 min passivering. Vergelijking van b punt SS versus I _DS en c G _m kenmerken tussen NC FET en besturings-MOSFET

een De gemeten I _DS -V _GS curven van de NCFET en controle MOSFET met 60 min passivering. Vergelijking van b punt SS versus I _DS en c G _m kenmerken tussen NCFET en besturings-MOSFET

Figuur 4a toont de statistische resultaten van de aandrijfstroom van NCFET's en besturings-MOSFET's bij V _DS van − 0,05 V en V _GS -V _TH =-1,0 V. NCFET's tonen een verbetering van 18,7% en 35,6% in I _DS voor respectievelijk de oppervlaktepassivering van 60 min en 40 min in vergelijking met de regelapparatuur. Er wordt gespeculeerd dat de NCFET's die gedurende 40 min gepassiveerd zijn een betere match hebben tussen C _MOS en C _FE over de NC-apparaten met 60 min. Figuur 4b laat zien dat NCFET's een verbetering van 26,4% en 51,3% behalen in maximale transconductantie G _m,max voor respectievelijk 60 min en 40 min oppervlaktepassivering in vergelijking met de regelapparatuur. Het is te zien dat de controle-MOSFET's met oppervlaktepassivering gedurende 40 min een hogere I hebben _DS en G _m,max dan de apparaten 60 min gepassiveerd, wat te wijten is aan de grotere C _MOS veroorzaakt door de kleinere equivalente oxidedikte (E _OT ). De interne metalen poort biedt een equipotentiaalvlak; het apparaat kan equivalent worden gemodelleerd als een capacitieve spanningsdeler. De totale capaciteit C _G is een reeks van C _FE en C _MOS . De interne poortspanning wordt versterkt door het NC-effect. De interne spanningsversterkingscoëfficiënt β =  ∣ C _FE ∣ / ∣ C _FE ∣  − C _MOS krijgt het maximum wanneer |C _MOS | =|C _FE | [20, 21]. Het bereiken van de geoptimaliseerde matching van C _FE en C _MOS is de voorwaarde voor de verbetering van de huidige.

De statistische a Ik _DS en b G _m resultaten van NCFET's en controle-MOSFET's met een passiveringsduur van 40 en 60 min

De geëxtraheerde V _int versus poortspanning V _GS curven worden getoond in Fig. 5a. V _int van NC-transistor kan worden geëxtraheerd op grond van de hypothese dat I _DS -V _int curve van NC-transistor is exact identiek aan I _DS -V _GS curve van het regelapparaat. De interne spanningsversterkingscoëfficiënt dV _int /dV _GS wordt getoond in Fig. 5b. dV _int /dV _GS> 1 wordt bereikt in het brede bereik van V _GS voor de NCFET met 40 min oppervlaktepassivering, wat bijdraagt ​​aan een steilere SS dan het regelapparaat tijdens het meetproces, wat te wijten is aan de lokale polarisatieomschakeling [22]. Het is consistent met de bovengenoemde resultaten in figuur 2b. Voor de NCFET met passivering van 60 min is de interne spanningsversterkingscoëfficiënt dV _int /dV _GS> 1 wordt bereikt tijdens het bereik van V _GS <0 V voor het dubbel vegen van V _GS , wat in overeenstemming is met de verhoogde SS in Fig. 3b.

een Geëxtraheerd V _int als een functie van V _GS bochten. b De interne spanningsversterkingscoëfficiënt versus V _GS bochten

Afbeelding 6a toont de geëxtraheerde C _MOS versus V _GS curven voor NC-transistor, die vertrouwt op de V _int -V _GS in Fig. 5a en de C _G -V _GS curven van controle-MOSFET's. De geëxtraheerde C _MOS komt goed overeen met de gemeten C _G. Hiermee wordt de validiteit van de berekeningsmethode aangetoond. De C _FE en C _MOS versus V _FE krommen zijn afgebeeld in Fig. 6b. Vanaf het begin van het NC-effect, de absolute waarde van negatieve C _FE van de transistor groter is dan C _MOS voor dubbel vegen van V _GS altijd in Fig. 6b. |C _FE |> C _MOS en C _FE <0 kan hysteresisvrije kenmerken veroorzaken, en de matching van C _MOS en C _FE is gunstig voor de logische toepassingen [23, 24]. Hysteresevrije kenmerken in Fig. 2a en 3a worden waargenomen toegeschreven aan alle domeinaanpassing en geremde ladingsvangst [25]. De stabiele polarisatieschakeling is verantwoordelijk voor de niet-hysteretische eigenschappen [26]. Verder is de grote interne poortversterking dV _int /dV _G> 1 wordt toegeschreven aan de kleine discrepantie tussen |C _FE | en C _MOS in het subdrempelgebied, wat resulteert in de steile SS van het NC-apparaat. Ondertussen is er een betere match tussen C _FE en C _MOS voor de NCFET met 40 min passivering dan de NCFET met 60 min passivering. Dit levert dus direct bewijs om aan te geven dat de NCFET met een passivering van 40 min een betere elektrische prestatie heeft dan de NCFET met een passivering van 60 min. De FE-polarisatie verandert de V _FE; vandaar dat de lading van FE varieert. De totale lading vermenigvuldigt zich, wat wordt toegeschreven aan de FE-polarisatie naast de toename van V _GS . Met andere woorden, voor de gegeven V _GS , neemt de lading in het kanaal toe, zodat de I _DS verbetert. Als gevolg hiervan verschijnt de steile SS van overdrachtskarakteristiek in de experimenten.

een Gemeten C _G en geëxtraheerd C _MOS als een functie van V _GS . b C _FE en C _MOS versus V _FE bochten