从传统MOS管到硅纳米线场效应晶体管
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SiNW MOSFET
Contents：
1. Traditional MOSFET 2. SiNW-based MOSFET
1. Traditional MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 增强型 MOSFET 耗尽型 N沟道 沟道 P沟道 沟道 N沟道 沟道 P沟道 沟道
增强型MOSFET电路符号
耗尽型MOSFET电路符号
1. Traditional MOSFET
• N沟道增强型MOSFET
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS对沟道的控制作用)
(1) VGS=0 iDS=0 截止状态 (2) 0<VGS<VT 产生电场，但 未感生出沟道 VT：开启电压
9.4 ×1014 − 1.6 × 1015 cm −3
Adv. Funct. Mater. 2008,18, 3251–3257
2. SiNW-based MOSFET
For n-p-n MOSFET： VDS = 1V → I on = 2.5µ A & I on / I off ≈ 107 For p FET(without n segments )：
2. SiNW-based MOSFET
Pd2Si contacts
Appl. Phys. Lett. 90, 132107 (2007)
2. SiNW-based MOSFET
hole mobility: 90 ± 40cm 2V −1s −1 & hole concentration: 2 ×1016 − 4 ×1017 cm −3
VDS = 1V → I on = 10nA & I on / I off ≈ 104
(1) PH3 and SiH4 (2) SiH4 (3) PH3 and SiH4
n+ − p − − n+
Low Ioof negligible n Si overcoating on the p body
Nano Lett., Vol. 8, No. 12, 2008
2. SiNW-based MOSFET
• Ambipolar Conduction of Schottky Barried FETs
ID-IGS of a Schottky barrier CNTFET
2. SiNW-based MOSFET
• Ambipolar Conduction of Schottky Barried FETs
• VGS和VDS同时作用时：
转移特性曲线
输出特性曲线
1. Traditional MOSFET
• 耗尽型MOSFET
1. Traditional MOSFET
• 耗尽型MOSFET
VP：截断电压
1. Traditional MOSFET
• 从能带角度解释MOSFET：
G G
S
D
S
D
Gate voltage modulates the conductivity of the channel by raising or lowering the height of an energy barrier between the source and channel!
漏极d和栅极g电场强度减小 沟道变薄
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS>VT,VDS对沟道的控制作用)
VGD=VT VGD=VGS-VDS 预夹断
预夹断后， 增大，夹断区延长， 预夹断后，VDS增大，夹断区延长， 沟道电阻增加， 沟道电阻增加，iDS基本不变
1. Traditional MOSFET
VGS=0 VDS=0 VGS>0 VDS=0
VGS<0 VDS=0
VGS=0.5VDS
2. SiNW-based MOSFET
Electrode:Al (50nm) and Au (150 nm)
B-doped
Ohmic
P-doped
源自文库
Nonohmic J. Phys. Chem. B, Vol. 104, No. 22, 2000
1-8:-20V~20V
1-6:20V~-20V
2. SiNW-based MOSFET
Si:P= 4000:1
µ = 260cm 2V −1s −1
µ = 50cm 2V −1s −1
gex:measured; gin:intrisic Adv.Mater.2004,16,No.21,November 4
iDS=0
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS对沟道的控制作用)
(3) VGS≥VT 工作状态 感生出导电沟道 VDS>0时，iDS>0
VGS越大，沟道越厚
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS>VT,VDS对沟道的控制作用)
VDS↑
iDS↑
沟道电位梯度↑ 靠近漏极d处的电位升高
Au provides a good Ohmic contact to p-type NWs
Tested in air ！
Si wafer hole mobility:
504 − 512cm 2V −1s −1
hole concentration: Surrounding ambient and Surface conditions
1. Traditional MOSFET
• 一些重要的参数：
1.开启电压 1.开启电压VT；
n = 1/ ρ eµ
carrier mobolity
载流子浓度
∂I D 2.互导 互导g 2.互导 m ： g m = ∂VGS
= µ (C/L2 ) VDS
VDS
3. Subthreshold swing( S )： slope of the subthreshold region （For well-designed MOSFET，S<80mV/decade） 4.On 4.On current: IDS(VDS=VGS=VDD) current： Off current：IDS(VDS=VDD,VGS=0) On/Off ratio S 转移特性
gm
High on/off ratio & low S
2. SiNW-based MOSFET
• Two different ways to make a transistor
Charge-modulation transistor
Transmission-modulation transistor
Contents：
1. Traditional MOSFET 2. SiNW-based MOSFET
1. Traditional MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 增强型 MOSFET 耗尽型 N沟道 沟道 P沟道 沟道 N沟道 沟道 P沟道 沟道
增强型MOSFET电路符号
耗尽型MOSFET电路符号
1. Traditional MOSFET
• N沟道增强型MOSFET
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS对沟道的控制作用)
(1) VGS=0 iDS=0 截止状态 (2) 0<VGS<VT 产生电场，但 未感生出沟道 VT：开启电压
9.4 ×1014 − 1.6 × 1015 cm −3
Adv. Funct. Mater. 2008,18, 3251–3257
2. SiNW-based MOSFET
For n-p-n MOSFET： VDS = 1V → I on = 2.5µ A & I on / I off ≈ 107 For p FET(without n segments )：
2. SiNW-based MOSFET
Pd2Si contacts
Appl. Phys. Lett. 90, 132107 (2007)
2. SiNW-based MOSFET
hole mobility: 90 ± 40cm 2V −1s −1 & hole concentration: 2 ×1016 − 4 ×1017 cm −3
VDS = 1V → I on = 10nA & I on / I off ≈ 104
(1) PH3 and SiH4 (2) SiH4 (3) PH3 and SiH4
n+ − p − − n+
Low Ioof negligible n Si overcoating on the p body
Nano Lett., Vol. 8, No. 12, 2008
2. SiNW-based MOSFET
• Ambipolar Conduction of Schottky Barried FETs
ID-IGS of a Schottky barrier CNTFET
2. SiNW-based MOSFET
• Ambipolar Conduction of Schottky Barried FETs
• VGS和VDS同时作用时：
转移特性曲线
输出特性曲线
1. Traditional MOSFET
• 耗尽型MOSFET
1. Traditional MOSFET
• 耗尽型MOSFET
VP：截断电压
1. Traditional MOSFET
• 从能带角度解释MOSFET：
G G
S
D
S
D
Gate voltage modulates the conductivity of the channel by raising or lowering the height of an energy barrier between the source and channel!
漏极d和栅极g电场强度减小 沟道变薄
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS>VT,VDS对沟道的控制作用)
VGD=VT VGD=VGS-VDS 预夹断
预夹断后， 增大，夹断区延长， 预夹断后，VDS增大，夹断区延长， 沟道电阻增加， 沟道电阻增加，iDS基本不变
1. Traditional MOSFET
VGS=0 VDS=0 VGS>0 VDS=0
VGS<0 VDS=0
VGS=0.5VDS
2. SiNW-based MOSFET
Electrode:Al (50nm) and Au (150 nm)
B-doped
Ohmic
P-doped
源自文库
Nonohmic J. Phys. Chem. B, Vol. 104, No. 22, 2000
1-8:-20V~20V
1-6:20V~-20V
2. SiNW-based MOSFET
Si:P= 4000:1
µ = 260cm 2V −1s −1
µ = 50cm 2V −1s −1
gex:measured; gin:intrisic Adv.Mater.2004,16,No.21,November 4
iDS=0
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS对沟道的控制作用)
(3) VGS≥VT 工作状态 感生出导电沟道 VDS>0时，iDS>0
VGS越大，沟道越厚
1. Traditional MOSFET
• 工作原理(VGS>VT,VDS对沟道的控制作用)
VDS↑
iDS↑
沟道电位梯度↑ 靠近漏极d处的电位升高
Au provides a good Ohmic contact to p-type NWs
Tested in air ！
Si wafer hole mobility:
504 − 512cm 2V −1s −1
hole concentration: Surrounding ambient and Surface conditions
1. Traditional MOSFET
• 一些重要的参数：
1.开启电压 1.开启电压VT；
n = 1/ ρ eµ
carrier mobolity
载流子浓度
∂I D 2.互导 互导g 2.互导 m ： g m = ∂VGS
= µ (C/L2 ) VDS
VDS
3. Subthreshold swing( S )： slope of the subthreshold region （For well-designed MOSFET，S<80mV/decade） 4.On 4.On current: IDS(VDS=VGS=VDD) current： Off current：IDS(VDS=VDD,VGS=0) On/Off ratio S 转移特性
gm
High on/off ratio & low S
2. SiNW-based MOSFET
• Two different ways to make a transistor
Charge-modulation transistor
Transmission-modulation transistor