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Nature Electronics: 如何報道和評估新型晶體管?
納米人 納米人 2022-09-14

現代社會依賴于芯片,而芯片是由數以億計的晶體管構成。iPhone 14 Pro 上搭載的A16 Bionic 芯片就由160億個晶體管組成。每一次滑動屏幕,每一個表情包,每一幀視頻,都由千千萬萬個晶體管完成。除了手機和電腦,現代生活中幾乎所有方面都依賴晶體管,從冰箱,空調,汽車,到飛機和衛星。


晶體管自1947年被發明以來,科學家們一直在探索基于新材料和新技術的晶體管。這個多學科交叉的領域吸引著來自微電子,材料,物理和化學等多學科背景的研究者。


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然而,不同領域研究人員之間還缺乏一致的報道和評估研究結果的規范。此外,很多晶體管的性能參數都相互關聯,這使得形成統一的報道和評估更具挑戰。


如此一來,就容易出現報道研究結果不完整,評估結果不全面等現象,甚至還會導致對新材料和新技術的評估出現偏差。


鑒于此,由美國,歐洲和中國的大學,國家實驗室,和工業界的學者,近期聯合在Nature Electronics上發表了如何報道和評估新型晶體管的論文。


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通訊作者:程智輝,Aaron D. Franklin,Curt A. Richter

作者單位:杜克大學,普渡大學,美國國家標準與技術研究院,斯坦福大學,北京大學,加州大學洛杉磯分校,明尼蘇達大學,紐約大學,德國亞琛工業大學,德國亞琛AMO半導體研究中心,比利時微電子研究中心


Editor的引述文章


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文中,作者們列出了一些關鍵參數的清單,以及參數評估清單,作者們還提供了報道和比較的例子。


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以下給出文中的幾個例子,例子中的晶體管是基于二硫化鉬(MoS2)。


關電流與開電流(Ioff vs Ion

不同研究中的晶體管溝道長度不一樣,而且柵極所用的絕緣體的材料和厚度也不一致,這就意味著不同驅動晶體管工作的電壓范圍不一致。為簡易起見,作者推薦,在VDS = 1 V 時,畫出Imin vs Imax,右邊還可以配合圖中斜線來表示Imax/Imin ratio。同時標出Imax取自一定的載流子濃度ns,例如1013 cm-2。由于Imin一般取自晶體管的亞閾值狀態,此時載流子濃度ns應該等于0,因此不予列出。


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有了此圖,人們就可以準確地比較某些論文中所提到的非常高的Imax/Imin ratio可能只是因為有比較大的溝道長度,或者相比于柵極絕緣體的厚度而言,溝道很長。


真正創新的結果是用相同的溝道材料和厚度,用相同的柵極絕緣體材料和厚度,在相對較短的溝道長度里,實現比較高的 Imax/Imin ratio


Ion vs Lch

晶體管獲得比較高的開電流Ion才能使最終的芯片運行的速度變快。有一些論文會強調自己的器件獲得很高或者破紀錄的Ion。不過,有可能這種高的Ion是因為比較短的溝道長度,或是比較高的VDS或載流子濃度。因此,有必要在相同VDS和載流子濃度條件下,畫出Ion vs Lch。從這個圖可以看出溝道長度對Ion的影響,實現比較公平的對比和評估。


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注意,很多論文中漏電流用IDS來表示,這樣是不正確的。因為,電流的定義是電荷經過一點的速率,因此應該用ID來表示。常用的半導體物理教材里,如S.M. Sze或Ben Streetman所編著的,也很難看到“IDS”的這種用法而電壓的定義是兩點之間的電勢差,所以源漏之間的電壓是VDS


亞閾值擺幅(Subthreshold Swing,SS,單位mV/dec)

小的亞閾值擺幅可以降低晶體管的工作電壓,因而減小芯片的耗電量。有一些論文會強調所報道的晶體管有破紀錄的亞閾值擺幅,尤其是在一些負電容相關器件的研究中。可是,有可能這個破紀錄的亞閾值擺幅發生在非常小的電流上(例如10-5 uA/um),這樣對于降低晶體管的工作電壓的作用并不大。因此,有必要畫出”全過程”漏級電流的的SS,即SS vs ID。如此,我們就可以一目了然地看到重要的漏級電流區間上的SS,例如在10-2 到10uA/um區間。


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Rc vs n

作者們還著重強調了接觸電阻的報道和評估。用Transfer Length Method來得出接觸電阻時,需要保證有超過4個晶體管,而且至少有一個晶體管中接觸電阻大于溝道電阻。例如下圖中TLM A用的所有晶體管都是溝道電阻遠大于接觸電阻,這樣得出的接觸電阻容易產生很大的誤差,有的甚至得出接觸電阻接近于0的結論,因此作者推薦用TLM B。


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作者們還推薦用右圖中的4-probe測量來佐證TLM中得出的sheet resistance


最后需要畫出TLM得出的接觸電阻與載流子濃度的關系圖,如下圖


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展示統計分布

最后,作者們還呼吁,應該報道關鍵參數的統計分布,而不只是強調最好的一個或者幾個器件的性能,如下圖,在一定VDS和載流子濃度條件下,作者們展示了不同溝道長度的晶體管的漏電流分布:


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作者們表示,遵循一致的準則來報道和評估科學研究結果,將會有利于該領域更好的進展,推動對前沿晶體管器件的研究,創新和應用。

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