[论文解读] A Predictive Compact Model for High-Performance Tunneling-Field Effect Transistors Approaching the Accuracy of NEGF Simulations

Ramon B. Salazar, Hesameddin Ilatikhameneh+3 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2015

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于高性能隧穿场效应晶体管（TFETs）的预测性紧凑模型，通过解析建模源极到沟道的电势分布以及带隙中复杂能带的椭圆曲率，精确复现了NEGF仿真结果。该模型在所有工作区域——开启/关闭状态及n型与p型导电——均实现了高精度，同时实现了对超大规模TFET中材料、尺寸和几何结构影响的高效、物理驱动型探索。

ABSTRACT

A new compact modeling approach is presented which describes the full current-voltage (I-V) characteristic of high-performance (aggressively scaled-down) tunneling field-effect-transistors (TFETs) based on homojunction direct-bandgap semiconductors. The model is based on an analytic description of two key features, which capture the main physical phenomena related to TFETs: 1) the potential profile from source to channel, and 2) the elliptic curvature of the complex bands in the bandgap region. It is proposed to use 1D Poisson's equations in the source and the channel to describe the potential profile in homojunction TFETs. This allows to quantify the impact of source/drain doping on device performance, an aspect usually ignored in TFET modeling but highly relevant in ultra-scaled devices. The compact model is validated by comparison with state-of-the-art quantum transport simulations using a 3D full band atomistic approach based on Non-Equilibrium Green's Functions (NEGF). It is shown that the model reproduces with good accuracy the data obtained from the simulations in all regions of operation: the on/off states and the n/p branches of conduction. This approach allows calculation of energy-dependent band-toband tunneling currents in TFETs, a feature that allows gaining deep insights into the underlying device physics. The simplicity and accuracy of the approach provides a powerful tool to explore in a quantitatively manner how a wide variety of parameters (material-, size- and/or geometrydependent) impact the TFET performance under any bias conditions. The proposed model presents thus a practical complement to computationally expensive simulations such as the 3D NEGF approach.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑模型，以准确预测高度缩放的TFET的完整I-V特性。
• 解决现有TFET模型中对源极/漏极掺杂效应缺乏系统性处理的问题，这对超大规模器件至关重要。
• 实现对材料、尺寸和几何参数在所有偏置条件下如何影响TFET性能的定量分析。
• 提供一种计算效率高的替代方案，以替代昂贵的三维NEGF仿真，同时保持高物理保真度。
• 捕捉能量依赖的带间隧穿电流，以深入理解TFET器件物理机制。

提出的方法

• 模型在源极和沟道区域使用一维泊松方程，以解析方式描述同质结TFET中的电势分布。
• 通过引入带隙区域中复杂能带的椭圆曲率，精确建模隧穿输运物理机制。
• 该方法可计算能量依赖的隧穿电流，将器件几何结构与材料特性与电流传输关联起来。
• 模型通过三维全带原子级NEGF仿真进行验证，确保在所有工作模式下均具有高精度。
• 模型整合了源极和漏极区域的掺杂分布，以量化其对性能的影响，这一特征在以往模型中常被忽略。
• 该框架支持对材料、尺寸和几何结构的系统性参数扫描，以高效探索性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 与三维NEGF仿真相比，紧凑模型在多大程度上能准确复现超大规模TFET的完整I-V特性？
• RQ2 在电势分布中引入源极/漏极掺杂，能在多大程度上提升模型的精度和物理相关性？
• RQ3 该模型能否在所有偏置条件下高保真度地捕捉n型与p型导电分支？
• RQ4 复杂能带的椭圆曲率对TFET中隧穿电流预测有何影响？
• RQ5 该模型能否作为计算密集型NEGF仿真在器件设计与优化中的实用、快速替代方案？

主要发现

• 该紧凑模型在所有工作区域（包括开启/关闭状态及n型与p型导电分支）均能以高精度复现NEGF仿真结果。
• 在1D泊松解中引入源极/漏极掺杂显著提升了模型预测器件性能的能力，尤其是在超大规模几何结构中。
• 该模型成功捕捉了能量依赖的带间隧穿电流，从而为隧穿机制提供了更深入的物理解读。
• 该方法可实现对材料、尺寸和几何结构在任意偏置条件下对TFET性能影响的高效、定量探索。
• 该模型在计算效率与物理精度之间实现了良好平衡，使其成为三维NEGF仿真的一种实用替代方案。
• 该模型的预测能力在广泛范围的器件参数下得到验证，证实了其鲁棒性与通用性。