一個高效率二維數值金氧半場效電晶體模儗器及其應用

Abstract

在本論文中, 我們敘述一個高效率二維數值金氧半場效電晶體模擬器的建立及其應用 。此數值模擬器取名為SUMMOS。首先, 我們對半導體元件數值模擬作一概括性的介紹 。其次,我們描述使用于SUMMOS 模擬器中的基本數值方法。經箱積分法把基本半導體 方程式離散化之后, 可以得到一個離散方程式組。我們將詳細描述用來解答此離散方 程組的剛美爾法及牛頓法。同時, 內含于剛美爾法及牛頓法之大型線性方程式組將以 帶狀連續鬆馳法求解。接著, 我們提出兩種策略來產生牛頓法所需的初始值。這兩種 策略分別以數值方法和解析方法為基礎發展出來。第一種是以數值方法為基礎的策略 , 故稱為虛二維牛頓法。經由電腦計算驗證, 使用虛二維牛頓法的計算速率比傳統剛 美爾─牛頓法快一倍。為了更進一步縮短計算時間, 帶狀連續鬆馳法之最大迭代次數 必須減少。基于我們所做的分析, 使用五次迭代可以使計算時間再減少三倍。第二種 是以解析方法為基礎的策略, 我們提出一個新的計算方法, 它結合了解析和數值計算 法的優點。第一個優點是數值計算所需的格子點座標及牛頓所需的初始值可由我們所 發展出來的解析模式提供; 第二個優點是解析模式所需之準確源極邊界電位分布可由 可由數值方法得到。經由詳細的計算驗證, 這種策略的確提供了好的初始值, 同時也 使元件模擬更有效率。然后, 我們以實驗元件驗證SUMMOS模擬之結果。實驗的驗證是 經由比較模擬與計測之汲極電流來完成。由於模擬結果的正確性和摻雜分布粹取法以 及所使用的移動率模式。利用正確的摻雜分佈和移動率模式, 模擬結果和實驗數據的 比較十分吻合。因此, 我們可以推論SUMMOS模擬器可用來正確地預測金氧半場效電晶 體的操作狀錶。最后, 我們將SUMMOS模擬器應用於分析深次微米金氧半場效電晶體之 抵穿效應。同時提出深次微米金氧半場效電晶體之設計方法, 此設計方法著重于避免 抵穿效應和汲極所引起之電位障壁減低現象。我們也使用SUMMOS模擬器分析次微米n- 型通道金氧半場效電晶體之源╱汲極電荷遮蔽效應。