纳米 MOSFET 功率挑战：负电容对称双栅场效应晶体管的载波分析与仿真验证

本文探讨了负电容对称双栅场效应晶体管（Negative Capacitance Symmetric Double-Gate Field-Effect Transistor, NC-S DG-FET）的载波基础分析理论及其在实际应用中的仿真验证。随着纳米尺度金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）器件的尺寸持续缩小，静态功率损耗成为一个主要挑战。短栅长会导致阈值电压下降（sub-threshold swing, S）受限，从而面临性能退化和可靠性问题，这种现象被称为玻尔兹曼限制（Boltzmann tyranny），其极限约为S = 60 mV/decade。 文章首先介绍了背景，指出减小S值以降低功耗的传统方法遇到的困难，这涉及到在微电子器件设计中寻找突破点。负电容作为一种潜在解决方案，通过增加器件的动态范围和改善亚阈值行为，有望打破这一限制。NC-S DG-FET利用了负电荷存储机制，能够显著改变晶体管的电学特性，从而实现更低的功耗和更高的性能。 接着，作者提出了一个基于载流子的分析理论，该理论着重于解释负电容如何影响晶体管内部的电子和空穴流动。理论模型包括考虑了量子效应、界面态、以及电荷陷阱等因素，以全面理解负电容对双栅结构中电流控制和传输特性的影响。 为了验证这个理论，文章接着描述了详细的数值模拟过程。作者使用先进的计算机仿真工具，如TCAD（Technology Computer-Aided Design）软件，来模拟NC-S DG-FET在不同工作条件下的行为，包括栅极电压、偏置电压和温度等参数变化。仿真结果与理论预测进行了比较，以确认理论的有效性和实用性。 最后，文中讨论了仿真结果对设计者的重要意义，包括优化晶体管结构、材料选择以及可能的器件集成策略。此外，还提到了该研究对于解决未来低功耗、高性能计算和通信系统中的能源效率问题的潜力。 这篇研究论文深入剖析了负电容对称双栅场效应晶体管的载流子基础分析，并通过精确的仿真验证了其在减少静态功耗和提高阈值电压稳定性方面的优势。这对于推动现代电子器件的发展，尤其是在追求更小尺寸、更低能耗的微电子领域，具有重要的理论和实践价值。