内容简介
本书专注于探讨未来超低功耗电子设备所需的半导体器件及相关技术，深入分析了半导体技术在物联网、人工智能等前沿领域所面临的挑战与创新发展方向。首先，书中详尽介绍了纳米级CMOS技术晶体管的演进过程，细致剖析了FinFET等新型结构的优势与局限性，并探讨了负电容场效应晶体管（NCFET）、隧道场效应晶体管（TFET）等先进器件的原理及其性能。随后，围绕碳纳米管、石墨烯等二维材料及其在TFET中的应用展开论述，深入分析了这些材料的载流子传输特性及在器件优化方面的技术要点。此外，书中还讨论了Ge及SiGe FinFET在低功耗应用中的性能提升、自热效应及其制造过程中面临的挑战，并探讨了Ⅲ-Ⅴ族FinFET的开关特性及其数学建模方法。全书综合材料特性、器件结构及制造工艺等多方面因素，为超低功耗电子设备的半导体技术发展提供了丰富的理论与实践参考。
本书可作为超低功耗半导体器件研究人员、开发人员和工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的参考用书。
目录
译者序
原书前言
原书作者
原书贡献者列表
第1章纳米级CMOS技术晶体管未来展望1
1.1引言：背景和驱动力1
1.2纳米电子学时代3
1.3ITRS技术目标5
1.3.1高性能6
1.3.2低功耗6
1.3.3低待机功耗6
1.4器件小型化导致的问题6
1.5历史调查7
1.6FinFET：优点、缺点和可能的替代方案8
1.6.1从行业角度看FinFET9
1.6.2FinFET：发展历程9
1.6.3超薄体器件10
1.6.4DG-MOSFET11
1.6.5混合FinFET13
1.7器件性能和可靠性指标14
1.7.1静态性能14
1.7.2开关参数14
1.7.3固有延迟15
1.7.4模拟和射频性能16
1.7.5模拟性能16
1.7.6射频性能17
1.7.7可靠性17
1.8未来技术竞赛中的器件18
参考文献20
第2章高性能隧道场效应晶体管的未来低功耗应用25
2.1引言25
2.2TFET器件的模型和操作26
2.3多栅TFET29
2.4基于材料的TFET分类30
2.5Si TFET33
2.6Ge TFET36
2.7SiGe TFET41
2.8挑战与未来趋势45
参考文献46
第3章超低功耗Ⅲ-Ⅴ族隧道场效应晶体管50
3.1GaAs材料系统上的TFET50
3.2InGaAs材料系统上的TFET54
3.3InAs材料系统上的TFET62
3.4InGaN材料系统上的TFET66
3.5小结73
参考文献73
第4章碳纳米管和石墨烯隧道场效应晶体管的性能分析80
4.1引言80
4.2碳纳米管81
4.2.1石墨烯85
4.2.2产生碳原子层85
4.2.3石墨烯特性86
4.3碳纳米管和石墨烯中的载流子传输86
4.4双层石墨烯TFET88
4.5石墨烯纳米带TFET89
4.6石墨烯纳米带TFET的模拟/射频性能90
4.7石墨烯TFET中的静电掺杂92
4.8石墨烯纳米带TFET中的线边缘粗糙度94
4.9碳纳米管TFET95
4.10GAA-CNT-TFET结构工程97
参考文献98
第5章纳米尺度下的硅FinFET特性分析103
5.1引言：传统硅FinFET的背景103
5.2仿真方法103
5.3结果与讨论105
5.3.1传统体FinFET器件按比例缩小至5nm以下节点105
5.3.2新工艺方案：SDP以实现进一步缩放110
5.4小结112
参考文献113
第6章低功耗应用中提升性能的Ge或SiGe FinFET115
6.1引言115
6.2Ge P沟道FinFET119
6.3Ge N沟道FinFET121
6.4Ge FinFET中的自热效应122
6.5Ge FinFET的随机掺杂波动124
6.6Ge无结型FinFET126
6.7SiGe FinFET128
参考文献129
第7章Ⅲ-Ⅴ族FinFET的开关性能分析137
7.1背景和驱动因素137
7.2引言138
7.3基于Ⅲ-Ⅴ族材料的MOSFET139
7.4FinFET器件特性140
7.5FinFET的开关特性142
7.6基于Ⅲ-Ⅴ族材料的器件综述143
7.7制造中的挑战146
7.8器件结构147
7.9数学建模148
7.10性能分析152
7.10.1导通状态电流154
7.10.2ION/IOFF154
7.10.3跨导155
7.10.4薄层电阻155
7.11小结157
参考文献158
第8章利用负电容场效应晶体管解决缩放技术的限制164
8.1引言164
8.2克服挑战的改进和替代方案165
8.3基于铁电材料的FET或负电容FET166
8.4不同铁电材料的性质167
8.5基于铁电材料的新型器件设计168
8.6无结型铁电器件170
8.7基于先进沟道材料的铁电FET171
参考文献173
第9章负电容场效应晶体管紧凑建模的最新趋势178
9.1引言178
9.2最先进的陡峭亚阈值摆幅器件178
9.2.1隧道FET181
9.2.2负电容FET182
9.3建模和紧凑建模基准183
9.3.1Pahwa的模型184
9.3.2Liang的模型187
9.3.3Dabhi的模型188
9.3.4Gaidhane的模型189
9.4小结191
参考文献192
第10章二维材料基础197
10.1引言197
10.2二维材料的性能199
10.3尺寸及表面积199
10.4电导率200
10.5光学特性201
10.6热性能202
10.7力学性能202
10.8缺陷203
10.9范德华力204
10.10制备方法205
10.11形态学研究207
10.12对石墨烯电极表面的研究208
10.13二维材料的应用210
10.13.1石墨烯210
10.13.2晶体管210
10.13.3集成电路211
10.13.4太阳能电池211
10.13.5光学212
10.13.6生物医学212
10.13.7储能212
10.14小结213
参考文献213
第11章用于低功耗器件的场效应晶体管中的二维过渡金属硫族化合物材料220
11.1引言220
11.2晶体管的演变221
11.3二维材料的分析222
11.3.1石墨烯223
11.3.2TMD材料224
11.4本研究的研究结果233
11.5小结236
致谢237
参考文献237
前言/序言
原 书 前 言
半导体行业的未来是什么？在一个日益计算机化的时代，计算机电路几乎可为一切提供动力。现代电子产品依赖于硅基集成电路上的半导体芯片和晶体管，它们具备开关电子信号的能力。这得益于硅作为一种极为经济的材料，且在自然界中以沙子的形式广泛存在。在半导体的助力下，现代数字技术得以蓬勃发展，推动了物联网（IoT）、自动驾驶汽车、人工智能（AI）和5G通信系统的到来。
在过去的几十年里，摩尔定律一直是半导体行业成功的基石。1956年，英特尔联合创始人Gordon Moore预测，半导体芯片上的晶体管数量将每18个月翻一番，而成本则会减半。随着纳米电子电路小型化的不断推进，降低功耗成为关键因素，这主要受限于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的亚阈值摆幅的基本热限制。随着越来越多应用对提高速度、减少延迟和光检测的需求，硅基器件正逐渐逼近其性能极限。然而，传统硅材料的替代者目前尚不成熟。这表明硅材料在短期内被完全取代的可能性不大，甚至可能永远不会发生。
研究人员正在探索新方法，以期在计算机和通信系统中实现更高性能的同时降低功耗。现在是时候考虑超越传统的基于体硅CMOS的集成电路芯片，寻找适用于高速和低功耗应用的新方案。在未来十年内，推动摩尔定律的创新至关重要。
当前，英特尔处理器采用FinFET技术。FinFET仍具备较长的使用寿命；然而，在不久的将来，半导体行业将转向新型晶体管技术，如全环绕栅极（GAA）FET、基于碳纳米管的FET、Ⅲ-V族化合物半导体基QWFET、石墨烯晶体管、原子晶体管和光控晶体管等。超低功耗集成电路对物联网应用和能量收集系统至关重要。具备高ION/IOFF比和陡峭切换特性的器件是实现超低功耗系统的关键。
负电容场效应晶体管（NCFET）和隧道场效应晶体管（TFET）因其优异的亚阈值摆幅和可扩展性，已成为未来超低功耗应用中极具潜力的半导体晶体管。本书涵盖了NCFET、FinFET、TFET和柔性晶体管的设计要点及性能分析，并重点探讨了二维材料及其基晶体管对未来超低功耗应用的重要性。
