Analoge/RF-prestaties van T-Shape Gate Dual-Source Tunnel Field-Effect Transistor

een Overdrachtskenmerken en b transconductantiecurves van TGTFET, UTFET en LTFET bij V _d = 0,5 V

Als gevolg hiervan is de maximale transconductantie van TGTFET (232 S/μm) ongeveer twee keer groter dan die van UTFET (120 μS/μm) en LTFET (110 μS/μm), zoals weergegeven in figuur 10. Dit is gunstig voor de huidige versterking die wordt bijgedragen door overlapping van dubbele bron en poort.

Afbeelding 11 toont de uitgangskarakteristieken, uitgangsgeleiding (g _ds ), en uitgangsimpedantie (R _o ) curven van de TGTFET, UTFET en LTFET. Zoals weergegeven in Afb. 11a, is duidelijk te zien dat de uitgangsstroom van het apparaat toeneemt met de toename van V _d , maar wanneer V _d boven 0,6 V bereikt, heeft de uitgangsstroom de neiging te verzadigen. Door observatie is het gemakkelijk te vinden dat de uitgangsstroom van TGTFET twee keer groter is dan die van UTFET en LTFET. Afbeelding 11b toont de uitgangsgeleiding (g _ds ) en uitgangsimpedantie (R _o ) curven van de TGTFET, UTFET en LTFET. De g _ds kan worden verkregen door de afleiding van de uitgangsstroom, zoals weergegeven in Vgl. (2) [27, 29] terwijl R _o kan worden uitgedrukt als het omgekeerde van de uitgangsgeleiding.

een Uitgangskenmerken, b uitgangsgeleiding (g _ds ), en c uitgangsimpedantie (R _o ) curven van de TGTFET, UTFET en LTFET

Vanwege de voordelen op uitgangsstroom krijgt TGTFET de hoogste g _ds en de minimale R _o van deze drie apparaten. Onder 1-V gate bias-conditie verkreeg TGTFET de maximale g _ds van 214 μS/μm en de minimale R _o van 4,6 kΩ/μm onder 0,45 V V _d . Onder dezelfde gate-biasconditie behaalden UTFET en LTFET de maximale g _ds van 113 μS/μm en 105 μS/μm en de minimale R _o van 9,0 kΩ/μm en 9,6 kΩ/μm onder 0,4 V V _d .

Bovendien is het in figuur 11 niet moeilijk om erachter te komen dat het lineaire gebied van de uitgangskarakteristieken van het apparaat een zekere niet-lineariteit vertoont. Zoals weergegeven in Afb. 11a, R _o neemt eerst af en neemt dan toe met de toenemende V _d . Sommige onderzoeksgroepen geven het bijbehorende fysieke proces over dit fenomeen [7, 30], maar er zijn nog steeds enkele problemen die niet duidelijk zijn uitgelegd. Zoals we weten, R _o wordt bepaald door de weerstand van het kanaalgebied en de tunnelovergang. Wanneer V _d < 0,4 V, R _o neemt af met toenemende V _d . Overweeg de volgende situaties, wanneer V _d = 0 V en V _g =-1 V, geen van de gelukkige elektronen kan naar de afvoerzijde worden geveegd en bijna alle elektronen worden in het kanaalgebied gevangen door een relatief hoge afvoerbarrière, zoals weergegeven in het rode stippellijnframe in Fig. 12a, b. Wanneer 0 V < V _d < 0,4 V, met toenemende V _d , wordt de afvoerbarrière zwakker (zoals weergegeven in Fig. 12b). De elektronen die in het kanaalgebied zijn gevangen, kunnen dus door de afvoerbarrière gaan en vervolgens door afvoer worden verzameld. Dit is een thermisch excitatieproces van elektronen van kanaal naar afvoer. Ten slotte, aangezien het tunnelknooppunt volledig is ingeschakeld (wanneer V _g =-1 V), is de tunnelstroom altijd in een staat van overmaat en kan de weerstand die wordt geïntroduceerd door de tunnelovergang worden genegeerd. Op dit moment, R _o wordt bepaald door de kanaalweerstand en R _o wordt bepaald door het elektron thermische excitatieproces over de afvoerbarrière. Dus, R _o neemt af met toenemende V _d . Wanneer V _d> 0,6 V, deze drie apparaten komen geleidelijk in het verzadigingsgebied en R _o groter wordt. Dit komt omdat wanneer V _d groot is, worden bijna alle elektronen door de tunnelovergang naar de afvoerzijde geveegd door het relatief hoge elektrische veld. De tunnelstroom wordt de limiet van de afvoerstroom. In deze toestand, R _o wordt voornamelijk bepaald door het tunnelknooppunt. De tunnelefficiëntie kan echter niet significant toenemen terwijl V _d neemt toe. V _d heeft een klein effect op de energiebandstructuur van de tunnelovergang (n+ pocketzijde), zoals weergegeven in figuur 12b. Als gevolg hiervan kan de tunnelstroom niet duidelijk toenemen en is er bijna geen I _AAN toenemen met de voortdurend toenemende V _d (wanneer V _d> 0,6 V), wat betekent dat een impedantie toeneemt. Bovendien, wanneer 0,4 V < V _d < 0.6 V, R _o wordt bepaald door zowel de kanaalweerstand als de tunnelovergang.

een Schematisch diagram van de energieband bij V _d = 0 V en V _g = 1 V. b Simulatieresultaten van het energiebanddiagram bij verschillende vooroordelen van V _d

Uit de bovenstaande analyse kan worden afgeleid dat de R _o van TFET wordt beïnvloed door zowel het tunnelingproces als het kanaalelektron thermische excitatieproces. De belangrijkste fysieke mechanismen kunnen R dominate domineren _o schakelt met V _d variatie. Eindelijk, de R _o neemt eerst af en neemt vervolgens toe, waardoor de niet-lineariteit van de uitgangskarakteristieken wordt veroorzaakt. Overigens is het door de observatie van figuur 11b gemakkelijk te vinden dat de uitgangsimpedantie van TGTFET veel kleiner is dan die van de UTFET en LTFET. Dit komt door de betere tunneling-efficiëntie van de dual-source en de laterale gate-overlapstructuur van TGTFET.

Afbeelding 13 toont de energiebandstructuur van TGTFET, UTFET en LTFET met verschillende toegepaste spanningen. De rode stippellijnen in de inzet vertegenwoordigen de positie om de energieband te tekenen (die 15 nm onder het oppervlak is, net op de halve hoogte van het brongebied). Het is te zien dat met een V _d toename van 0,1 naar 0,5 V, de bandstructuur van TGTFET, UTFET en LTFET heeft een duidelijke trend van buigen. Dit komt omdat de afvoerspanning de elektrische potentiaal van de tunnelovergang nabij de afvoerzijde naar beneden kan trekken. Dit geeft aan dat voor TGTFET, UTFET en LTFET de toename van V _d van 0,1 tot 0,5 V is gunstig voor de efficiëntie van tunnels. Echter, wanneer V _d> 0,5 V, de verandering van de energieband met V _d verhoging is niet het vermelden waard. Dit komt overeen met de analyseresultaten in figuur 12b.

De energiebandstructuur van a TGTFET, b UTFET en c LTFET op V _g = 1

Zoals we weten, is de poortcapaciteit (C _gg ) van het apparaat kan de frequentiekarakteristieken van de geïntegreerde schakelingen sterk beïnvloeden. Voor TGTFET, UTFET en LTFET, C _gg bestaat over het algemeen uit C _gs (capaciteit van poort naar bron) en C _gd (poort om capaciteit af te voeren). Daarom is het kenmerk van C _gg , C _gs , en C _gd is van groot belang om de frequentiekarakteristieken en het analoge toepassingsvermogen van apparaten te evalueren. Vooral voor TFET zijn de capaciteitskenmerken behoorlijk anders dan die van MOSFET. Vanwege het bestaan ​​van de tunneling junction in het brongebied, heeft TFET meestal een kleine C _gs [1, 11]. Daarom is de C _gg van TFET wordt voornamelijk bepaald door C _gd . Afbeelding 14 toont de capaciteit van TGTFET, UTFET en LTFET versus V _g onder V _d = 0,5 V en V _d = 0 V, afzonderlijk.

Capaciteit van TGTFET versus V _g onder a V _d = 0 V en b V _d = 0,5 V. Capaciteit van UTFET versus V _g onder c V _d = 0 V en d V _d = 0,5 V. Capaciteit van LTFET versus V _g onder e V _d = 0 V en f V _d = 0,5 V

Door de waarneming van Fig. 14a, b, is het gemakkelijk te vinden dat de C _gs van TGTFET onder 1-V poortspanning is 0,15 fF/μm bij V _d = 0 V en 0,7 fF/μm bij V _d = 0,5 V, wat veel kleiner is dan die van de C _gd (5,8 fF/μm bij V _d = 0 V en 3,7 fF/μm bij V _d = 0,5 V). Dus de C _gg van TGTFET wordt voornamelijk bepaald door C _gd . Wanneer V _d = 0 V, C _gg en C _gd snel toenemen met de toenemende V _g , zoals weergegeven in Fig. 14a. Dit komt omdat met de toename van V _g , worden elektronen geaggregeerd naar de poortinterface in het apparaatkanaal, waardoor de capaciteit snel stijgt. Wanneer V _d = 0,5 V, C _gd neemt duidelijk niet toe tot V _g wordt verhoogd tot meer dan 0,6 V, zoals weergegeven in Fig. 14b. Dit komt omdat wanneer V _g laag is, kunnen slechts enkele gelukkige elektronen door de tunnelovergang gaan en het kanaal in gaan. Sommige van deze gelukkige elektronen zullen deelnemen aan het recombinatieproces en de meeste andere zullen snel worden verzameld door de afvoer vanwege de afvoerspanning van 0,5 V. Daarom is het erg moeilijk voor deze gelukkige elektronen om in het apparaatkanaal te blijven. Met de V _g toenemen, neemt het aantal gelukkige elektronen snel toe. Op dit moment kan noch van de afvoerverzameling, noch van het elektron-gat-recombinatieproces deze gelukkige elektronen snel uitputten. Zo neemt de elektronenconcentratie in het kanaal toe en neemt de capaciteit snel toe. Als gevolg hiervan heeft de capaciteitskarakteristiek de neiging om naar rechts te verschuiven terwijl V _d neemt toe, zoals weergegeven in Fig. 14a, b. De bovenstaande analyse en verschijnselen zijn ook van toepassing op UTFET en LTFET, zoals weergegeven in figuur 14c-f. Bovendien is de poortcapaciteit van UTFET bij 0 V en 0,5 V V _d bereikte respectievelijk 6,2 fF/μm en 5,1 fF/μm, en die van de LTFET bereikte respectievelijk 3,4 fF/μm en 2,7 fF/μm.

Aangezien er geen directe overlap is tussen de gate en de drain van de LTFET, en de afstand tussen de gate en de drain relatief groot is, heeft LTFET de beste capaciteitskenmerken en de kleinste C _gg . Daarentegen is er een directe overlap tussen de gate en de drain van de UTFET. Daarom worden elektronen nabij de afvoerzijde gemakkelijker gecontroleerd door de poort, wat resulteert in een grote C _gg van UTFET. Voor TGTFET, hoewel de afstand tussen de poort en de afvoer klein is, is er een licht gedoteerd kanaalgebied dat de poort en de afvoer kan isoleren. De capaciteit van TGTFET is dus beter dan die van UTFET, maar iets inferieur aan LTFET. Afbeelding 15 toont de C _gd kenmerken van TGTFET, UTFET en LTFET versus V _d onder verschillende V _g . Uit de waarneming van Fig. 15a–v is het niet moeilijk te vinden dat de C _gd kenmerken van deze drie apparaten zijn vergelijkbaar. Dat wil zeggen, voor een vaste V _g , C _gd neemt af met de toename van de V _d . Aan de andere kant, voor een vaste V _d , C _gd neemt toe met de toename van V _g .

C _gd kenmerken van a TGTFET, b UTFET en c LTFET versus V _d onder verschillende V _g

Zoals we weten, zijn zowel de afsnijfrequentie (f _T ) en versterkingsbandbreedte (GBW) zijn de evaluatiecriteria voor het evalueren van de frequentiekarakteristieken van apparaten. f _T hangt af van de verhouding van g _m naar C _gg , zoals getoond in Vgl. (3) [30, 31]. Voor een bepaalde DC-versterking die gelijk is aan 10, kan GBW worden uitgedrukt door de verhouding van g _m naar C _gd , zoals getoond in Vgl. (4) [17]:

Afbeelding 16 toont de karakteristieken van de f _T en GBW van TGTFET, UTFET en LTFET. Door te profiteren van structurele voordelen, zoals dubbele bron- en laterale poortoverlapping, geïntroduceerd door de T-vormige poort, verkrijgt TGTFET de meest opmerkelijke frequentiekarakteristieken in vergelijking met UTFET en LTFET. Onder de voorwaarde van V _d = 0,5 V, de f _T en GBW van TGTFET bereikten de maximale waarden van respectievelijk 11,9 GHz en 2,3 GHz. Dankzij de grote afstand tussen poort en afvoer en zonder overlap tussen poort en afvoer, krijgt LTFET een kleine C _gg en goede frequentiekarakteristieken. De f _T en GBW aan LTFET bereiken afzonderlijk de 8,7 GHz en 2,1 GHz. De capaciteitskenmerken van UTFET zijn inferieur in vergelijking met die van TGTFET en LTFET. Dit komt doordat de directe poort/afvoer overlapt. Als gevolg hiervan is de maximale waarde van f _T and GBW of UTFET can only reach 4.1 GHz and 0.5 GHz separately.

The characteristic curves of a f _T en b GBW of TGTFET, UTFET, and LTFET versus V _g at V _d  = 0.5 V