Matching Properties of Deep Sub-Micron Mos Transistors pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Croon, Jeroen A./ Sansen, Willy M. C./ Maes, Herman E.

出品人:

页数:220

译者:

出版时间:2005-3

价格:$ 247.47

装帧:HRD

isbn号码:9780387243146

丛书系列:

图书标签:

• MOSFET
• 深次微米
• 器件物理
• 电路设计
• 模拟电路
• 半导体
• 晶体管
• 建模
• 特性分析
• 集成电路

暂定书名：半导体器件物理与先进工艺集成：从基础理论到前沿应用 导言：微观世界与宏观器件的桥梁 本书旨在为读者构建一个关于现代半导体器件，特别是场效应晶体管（FET）物理原理、先进制造工艺及其在集成电路（IC）设计中应用的全面认知框架。我们聚焦于超越传统硅基CMOS技术极限的挑战与机遇，深入探讨新材料、新结构以及新型工作机制如何驱动摩尔定律的持续演进。本书不涉及特定于深亚微米MOS晶体管的匹配性研究，而是将视野扩展到更广阔的器件物理领域，为工程师和研究人员提供坚实的理论基础和前瞻性的技术视角。 全书分为六大部分，共二十章，层层递进，力求实现从基础量子力学概念到复杂系统级集成的无缝衔接。 --- 第一部分：半导体物理基础与能带理论的深化（共三章） 本部分作为全书的基石，旨在回顾和深化读者对半导体材料本征性质的理解，为后续器件物理分析奠定基础。 第一章：晶体结构与电子的本征行为 本章首先详细阐述晶格振动（声子）对电子传输的影响，特别是声子散射机制在不同温度下的主导作用。随后，深入剖析有效质量概念的物理内涵，及其如何受晶体结构对称性和势场周期性的制约。重点讨论了德拜模型（Debye Model）在热力学特性分析中的局限性，并引入更精确的声子谱计算方法。 第二章：能带结构与载流子统计的非理想情况 本章超越了简单的有效质量近似，系统地介绍了布里渊区内电子和空穴色散关系的精确计算方法，如$mathbf{k} cdot mathbf{p}$微扰理论的应用。重点探讨了高掺杂区域的能带弯曲效应，包括升高的电离能（Ionization Potential）和带隙变窄（Band Gap Narrowing, BGN）现象的物理机制，特别是由于电子-电子和电子-杂质相互作用引起的能级展宽。载流子统计部分则详细分析了非简并和简并半导体的费米能级位置，以及在极端温度下的热激发与载流子冻结现象。 第三章：输运物理：漂移、扩散与散射的综合模型 本章专注于载流子在材料内部的动态行为。详细分析了高电场下的载流子饱和速度（Velocity Saturation）的物理根源，探讨了热电子效应（Hot-Carrier Effects）的定量模型，包括载流子能量分布函数的建立。散射方面，除了声子和杂质散射，本章还引入了界面粗糙度散射和界面态散射在超薄结构中的相对贡献分析。 --- 第二部分：场效应晶体管的工作机制解析（共四章） 本部分将理论基础应用于核心器件——场效应晶体管（FET），重点分析不同工作模式下的电学特性。 第四章：MOS结构中的电荷分布与阈值电压物理 本章细致描绘了MOS电容器在积累、平带、反型（弱、中、强反型）三种状态下的电势分布和电荷密度分布。重点讨论了阈值电压的精确模型，包括氧化层固定电荷、界面陷阱电荷、费米能级锁定效应以及最重要的穿隧效应引起的阈值电压漂移。探讨了亚阈值区沟道形成过程中的势垒高度调控。 第五章：沟道电流的精确建模与短沟道效应分析 本章构建了晶体管在不同工作区（截止、线性、饱和）的电流-电压（I-V）特性模型。在线性区，重点分析了载流子迁移率在低垂直场和高垂直场下的变化规律。在饱和区，深入探讨了沟道长度调制（Channel Length Modulation, CLM）的物理机制，并介绍了基于二维泊松方程的DIBL（Drain-Induced Barrier Lowering）效应的精确量化方法。 第六章：亚阈值区的精细控制与亚阈值摆幅（SS）的物理极限 本章聚焦于器件的开关特性，即亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS）。详细分析了理想SS的极限值（60 mV/decade at 300K）的物理限制，以及沟道材料的有效介电常数对SS的直接影响。本章还介绍了热载流子注入（HCI）对次级击穿（Punchthrough）的贡献，以及如何通过陡峭沟道设计（如FinFET或Gate-All-Around结构）来改善SS。 第七章：高频特性与等效电路参数提取 本章将器件模型扩展到动态响应领域。分析了栅极电阻、源漏扩散电阻和沟道电阻对晶体管高频性能的限制。详细推导了单位宽度跨导($g_m$)和最大振荡频率($f_T$)、最大可用功率增益频率($f_{max}$)的解析表达式。重点讨论了寄生电容的精确提取，特别是耦合电容在高速电路设计中的影响。 --- 第三部分：先进栅极介质与界面工程（共三章） 随着传统 $ ext{SiO}_2$ 栅介质厚度受限，高介电常数（High-$kappa$）材料的应用成为必然，本部分探讨其带来的物理挑战。 第八章：High-$kappa$ 材料的物理性质与界面态的挑战 本章全面比较了 $ ext{HfO}_2$、$ ext{Al}_2 ext{O}_3$ 等典型 High-$kappa$ 材料的物理常数、热稳定性与电荷俘获特性。深入分析了高介电常数材料/硅界面的结构失配导致的界面态密度（Interface Trap Density, $D_{it}$）问题，及其对迁移率和阈值电压稳定性的负面影响。 第九章：金属栅极与电荷俘获的调控 金属栅极（Metal Gate）的应用是实现等效氧化层厚度（EOT）缩小的关键。本章讨论了金属栅极的功函数调控技术（Work Function Engineering），以实现 P 型和 N 型器件的阈值电压精准控制。同时，详细分析了 High-$kappa$/金属栅极堆栈中固定电荷和可动电荷的来源及其对长期可靠性的影响。 第十章：量子限域效应与薄栅介质下的隧道电流 当栅介质厚度进入几个埃的范围时，直接量子隧穿（Direct Tunneling, DT）和 Fowler-Nordheim 隧穿成为限制器件工作的主要因素。本章通过WKB近似方法计算了隧穿电流密度，并探讨了如何通过优化材料堆栈和电场分布来抑制栅极漏电流，以维持合理的功耗水平。 --- 第四部分：新结构与下一代器件概念（共四章） 本部分关注晶体管几何结构的演变以及面向低功耗应用的新型器件原理。 第十一章：FinFET 结构中的电荷控制与静电完整性 FinFET（鳍式场效应晶体管）通过三维栅极结构解决了传统平面MOS的短沟道效应。本章详细分析了包围角对沟道电荷分布的控制能力，并推导了Fin结构中有效沟道厚度的几何依赖性。重点讨论了 Fin 结构中的电荷共享效应和漏极诱导的亚阈值陡峭度改善机制。 第十二章：Gate-All-Around (GAA) 与载流子传输路径的优化 GAA结构（如纳米线或纳米片FET）提供了对沟道更完美的静电控制。本章对比了 FinFET 与 GAA 在沟道应变引入和载流子传输各向异性方面的差异。重点探讨了 GAA 结构中空穴传输与电子传输的对称性问题以及在堆叠单元中的实现难点。 第十三章：隧道场效应晶体管 (TFET) 的工作原理与性能瓶颈 TFET 是一种潜在的超低功耗器件，其导通机制基于带间隧穿（Band-to-Band Tunneling, BTBT）。本章详细阐述了 TFET 的 I-V 曲线特性，分析了其 SS 可以低于 60 mV/decade 的物理基础。着重探讨了 BTBT 效率的限制因素，如能带对准和陡峭的峰值隧穿电流实现难度。 第十四章：绝缘体上硅 (SOI) 技术与瞬态效应 SOI 技术因其隔离性好、寄生电容低等优点在特定应用中仍占有重要地位。本章重点分析了浮体效应（Floating Body Effect）的产生机理，包括电荷的积累和依赖于器件历史状态的瞬态开关行为。讨论了如何通过不同的背栅耦合方案来抑制或利用这些效应。 --- 第五部分：新兴材料与后摩尔时代的器件选择（共三章） 本部分展望了硅基技术的极限之外，潜在的替代材料和器件平台。 第十五章：二维材料晶体管：石墨烯、 $ ext{MoS}_2$ 与 $ ext{WSe}_2$ 的特性对比 二维（2D）材料如 $ ext{MoS}_2$ 具有极薄的物理厚度和优异的电荷迁移率。本章深入分析了这些材料的本征载流子浓度、狄拉克锥（Dirac Cone）特性，以及它们在薄膜晶体管中表现出的界面控制优势。重点讨论了接触电阻作为限制二维器件性能的关键瓶颈。 第十六章：铁电体与新型存储器件的物理基础 探讨铁电场效应晶体管（FeFET）作为非易失性存储单元的潜力。解析了铁电材料的畴壁运动、极化反转过程，以及如何利用其自发极化来稳定沟道电荷，实现低能耗的存储开关。 第十七章：自旋电子学与自旋晶体管的初步概念 本章将视角转向载流子的另一个自由度——自旋。介绍了自旋注入、自旋输运和自旋检测的基本物理原理。讨论了基于磁性材料的巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）效应在传感器和存储器中的应用，并概述了自旋转移矩（STT）对磁随机存取存储器（MRAM）的驱动力。 --- 第六部分：工艺集成与器件可靠性挑战（共三章） 先进器件的性能高度依赖于制造工艺的精确控制和长期运行的稳定性。 第十八章：先进光刻技术与关键尺寸控制 本章侧重于实现微小特征尺寸所需的工艺技术。详细讨论了极紫外光刻（EUV）的成像原理、掩模版缺陷对刻蚀图案的影响，以及多重曝光技术（LELE, SADP/SAQP）在解决分辨率瓶颈中的作用。重点分析了线宽粗糙度（Line Edge Roughness, LER）对器件随机性和性能波动的影响。 第十九章：迁移率提升技术：应变工程与应变硅（Strained Silicon） 本章聚焦于如何通过机械应变来工程化晶格常数，从而改变电子的有效质量，提升载流子迁移率。详细分析了双轴应变（Biaxial Strain）和单轴应变（Uniaxial Strain）对硅材料能带结构的调控，以及如何在高跨度（High-k/Metal Gate）堆栈中引入和维持应变。 第二十章：器件的可靠性威胁：击穿、热点与寿命预测 本章关注器件在实际工作环境下的长期稳定性。系统分析了电场诱导的介质击穿（EBD）和热载流子注入（HCI）导致的阈值电压漂移（$V_{th}$ Instability）机理。最后，介绍了加速测试方法，如等温加速测试（IAT）和偏压温度不稳定测试（BTI），用于预测器件的平均使用寿命。 --- 总结： 本书提供的深入分析，立足于半导体器件物理学的核心原理，涵盖了从材料本征性质到先进结构设计，再到工艺集成和可靠性考量的全景图。它旨在培养读者从第一性原理出发，理解和解决下一代集成电路设计中面临的物理与工程挑战的能力。

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