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半导体纳米器件的噪声模型及其应用研究

陈华

  无论是研究电噪声现象,还是研究电噪声的应用,噪声机制的确定和模型的建立都是必不可少的。 与常规器件相比,半导体纳米器件中的噪声既有相同点,又有新特点。半导体纳米器件中热噪声和低频噪声的基本机制和基本模型,与微米器件中是一致的。热噪声来源于载流子的热运动,低频噪声可以由相关粒子或结构的慢过程产生。半导体纳米器件中的散粒噪声,来源于载流子的粒子性与运动的随机性,受到载流子输运过程中相互作用的影响。与微米器件相比,纳米器件中的散粒噪声现象更复杂,也更有用。为了探索纳米器件中的散粒噪声现象,本文用Monte Carlo方法研究了散粒噪声的产生机制。 本文针对半导体纳米器件的具体研究目的,直接使用或改进已有噪声模型。在这些模型基础上,进行了噪声特性分析或基于噪声的器件特性表征。结合课题组的科研项目,利用器件物理和介观物理等理论,分别针对量子点接触(QPC)、自旋晶体管、高k栅栈MOSFETs这三种纳米器件进行了噪声模型研究及其应用研究。这些结果会对相关半导体纳米器件的设计提供依据,并对其它半导体纳米器件噪声建模与应用具有启发意义。 对QPC进行分析时,常采用简单的Buttiker透射系数表达式来计算零温输运特性。本文将温度的影响引入Buttiker表达式,再结合兰道尔图像的电流模型和噪声模型,可以计算温度对电导和噪声的影响。提出了QPC本征灵敏度的表达式,本征灵敏度与QPC本身的噪声平方根,及其与所检测环境的耦合电容成正比,与微分跨导成反比。结合QPC结构的电容范围,估算了本征灵敏度,发现目前报道的QPC电荷传感器还有可改进的空间。使用非平衡格林函数方法(NEGF)能够数值计算透射系数,与基于透射系数的Buttiker表达式相比,该方法能更为准确地模拟偏置的影响。 当自旋向上和自旋向下的电流彼此独立时,可以用自旋极化率描述自旋极化状态,自旋晶体管是以Rashba自旋轨道耦合为基本原理的,自旋进动或者瞬时的自旋翻转使两种自旋取向的电流不再独立,自旋极化率需要重新推导。在散射理论的框架下,利用自旋密度矩阵推导出沿自旋量子化坐标的自旋极化率表达式,并推导了自旋分辨电流和自旋分辨散粒噪声的表达式。进行了单通道的解析推导和基于NEGF的多通道模拟计算。在改变偏压、中心导体长度以及Rashba自旋轨道耦合系数三种条件下,完成了多通道的模拟以研究自旋极化率与Fano因子随偏压等参数的变化规律,希望为自旋极化的全电学检测提供依据。 高k栅栈MOSFETs多层统一噪声(MSUN)模型是目前比较主流的解析噪声模型。但是,高k栅栈中的缺陷分布常常很复杂,并不是MSUN模型认为的在空间上呈指数分布。将MSUN模型中对两层栅介质分别计算噪声分量的思想,推广到按照陷阱分布进行分层。当层数较多时,针对所考察的频率范围引入一种有效的化简方法。这种改进的低频噪声模型既能得到重要的定性结论用以指导高k栅栈结构设计,又能用于噪声仿真和基于噪声拟合的缺陷分布表征。 最后,使用全计数统计学(FCS)理论对逆问题进行了探索,这一点与基于FCS理论高阶累积量计算的通常作法不同。FCS理论是处理噪声问题的重要理论,但是对FCS来说,噪声仅是一种二阶关联。论文基于FCS理论的互斥模型,针对单势垒结构,提出了一种用多个高阶累积量对单势垒结构进行机理判断和参数识别的方案,并用Monte Carlo模型进行了验证,对FCS的逆问题进行了一次简单但具有启发意义的探讨。……   
[关键词]:散粒噪声;低频噪声;高k栅栈MOSFETs;全计数统计学;自旋晶体管;量子点接触
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西安电子科技大学2010年