关于具有双掺杂源漏的单晶体管同或门的研究.pdf

1引言近年来，随着对数据处理和分析的需求日益复杂，受生物大脑结构的启发，神经形态计算已成为一个有吸引力的研究领域。建立这种神经形态系统的主要算法主要是基于软件的深度神经网络（阅eep晕eural 晕etwork,DNN）1。为了简化神经网络并高效地在神经网络中进行计算，人们提出了二值神经网络（Binary Neural Networks,BNNs）2。在二值神经网络的应用中，MOSFET 由于可以实现高性能的低功耗操作和高集成度的逻辑功能，得到广泛应用3。然而，随着 MOSFET 的规模接近 10nm 的节点，它正面临着功耗、制造、物理和芯片成本等诸多方面的问题4。可重构场效应晶体管（ReconfigurableFieldEffectTransistor,RFET）作为一种新型器件，被有效地用来减小传统 MOSFET 的短沟道效应，为 MOS 器件继续减小尺寸提供了可能5。与传统 CMOS 器件在制造过程中确定静态电学功能不同，RFET 可以在工作过程中通过改变电信号，动态地编程为 N 型或 P 型FET6。本研究在它的基础上，提出双掺杂源漏式设计，所实现的器件称为 DDSD-RFET。2器件设计与工作原理除了可以实现传统 RFET 的功能，DDSD-RFET因采用欧姆接触，载流子更容易隧穿过势垒，器件正向导通电流更高，更有益于应用在二值神经网络中。关于具有双掺杂源漏的单晶体管同或门的研究杨敏，靳晓诗（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）摘要:为优化传统可重构场效应晶体管以改善器件的正向电流参数，提出一种双掺杂源漏可重构场效应晶体管。该器件可作为突触器件应用于二值神经网络的同或操作中。器件通过对源区和漏区进行重掺杂使其与金属源漏电极之间形成势垒更窄的欧姆接触，从而使器件的正向电流得到大幅提高。通过分析器件的结构及工作原理，仿真并对比传统 RFET 和所提出的 DDSD-RFET 的转移特性曲线，结果表明双掺杂源漏的设计可以有效提高器件的正向电流,同时减少反向截止电流。关键词：可重构场效应晶体管；双掺杂源漏；同或门；高集成DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.004中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）04-0012-03Study on Single Transistor XNOR Gate with Double DopedSource and DrainYANG Min,JIN Xiaoshi(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:In order to optimize the traditional reconfigurable field effect transistor and improve theforward current parameters of the device,a double doped source-drain RFET is proposed.The device canbe used as a synaptic device in the exclusive-OR operation of binary neural networks.By heavily dopingthe source region and the drain region,the device forms an ohmic contact with a narrower potentialbarrier with the metal source and drain electrode,so that the forward current of the device is greatlyimproved.By analyzing the structure and working principle of the device,the transfer characteristiccurves of the traditional RFET and the proposed DDSD-RFET are simulated and compared.The resultsshow that the design of double doped source and drain can effectively improve the forward current of thedevice and reduce the reverse cut-off current.Key words:Reconfigurable FET;Double doped source and drain;XNOR;High integration作者简介：杨敏（1997），女，辽宁省葫芦岛市人，硕士研究生，主研方向：微型半导体器件设计。收稿日期：2023-02-03微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.，20234 期DDSD-RFET 结构示意图如图 1 所示。图中，LS/D、WS/D分别为源/漏区长度与宽度；L 为程序栅和控制栅的长度；W 为程序栅和控制栅的宽度；Lsp为栅极与源漏电极之间的水平间隔长度；Lgg为两个栅极之间的水平间隔长度；Li为本征硅的长度；LN+和 LP+分别为 N 型掺杂源漏区和 P 型掺杂源漏区的长度；tb为本征硅的厚度；tox为栅氧化层的厚度；tg为程序栅和控制栅的厚度。两个栅极分别与器件的两个信号输入端连接，信号输入端输入高或低电平时，栅极将处于对应的高、低电位。通过对晶体管的源区和漏区进行掺杂，形成具有施主掺杂和受主掺杂的两个分区，使器件具备工作在 N 模式或 P模式下的条件，进而实现器件的逻辑功能。器件的工作原理为：当两个信号输入端同时输入高电平或低电平时，两个栅电极将同时处于高电位或低电位。当两个可互换源漏电极分别与电源电压输入端和同或门输出端连接时，半导体薄膜区在两个栅电极的共同作用下，通过电场效应在内部所形成电子或空穴沟道，使电子或空穴可以从两个可互换源漏电极中处于电势较低的一端，流至两个可互换源漏区中同样处于电势较低的一端，并经过半导体薄膜区内部形成的电子或空穴沟道流向两个可互换源漏区中处于电势较高的一端，再从两个可互换源漏区中处于电势较高的一端流至两个可互换源漏电极中同样处于电势较高的一端。双掺杂源漏单晶体管同或门此时处于低阻状态，对同或门输出端输出高电平。当两个信号输入端其中一个输入高电平而另一个输入低电平时，双掺杂源漏单晶体管同或门处于电子阻断且空穴阻断状态，实现低电平输出，从而器件成功地工作在 N 模式或 P 模式，进而使电路可以利用更少的晶体管实现逻辑功能，有助于集成电路基本门电路的单元结构的简化和集成度的提高。3仿真与分析为了便于比较，给出传统 砸云耘栽 结构示意图，如图 圆 所示。两个器件采用相同的参数。使用 SilvacoTCAD 软件对传统 RFET 以及 DDSD-RFET 的转移特性进行仿真，分析其电学性能，进行对比。采用DevEdit3D 器件编辑器绘制器件结构，使用 Atlas 器件仿真器对传统 RFET 以及 DDSD-RFET 的转移特性进行仿真，并通过 TonyPlot 显示出仿真结果。器件转移特性的仿真以栅压为参数，漏极外加固定电压，源极接地。分别以传统 RFET 及 DDSD-RFET 的栅压 Vpg/Vcg作为参数，仿真得出了对应的栅压与漏电流的转移特性曲线，如图 3 所示。图 圆传统 RFET 结构示意图(a)主视图图 1DDSD-RFET 结构示意图(c)沿切线 B 截面图(b)沿切线 A 截面图(a)主视图(b)沿切线 A 截面图杨敏等：关于具有双掺杂源漏的单晶体管同或门的研究窑13窑微处理机2023 年仿真中采用了玻尔兹曼统计方法，选用的理论模型包括 BGN 模型、CVT 迁移率模型、CONSRH复合模型、AUGER 俄歇复合模型、BBT.STD 隧穿模型等。使用半导体物理学、半导体器件物理学、MOS、半导体工艺技术基础、电路基础以及人工神经网络等多方面知识对具有双掺杂源漏的单晶体管同或门的仿真结果进行分析。通过 DDSD-RFET 的转移特性曲线可以看出，所提出的 DDSD-RFET 无论选择哪个栅极作为真正的控制栅极，都能使器件成功地工作在 晕 模式或 孕 模式。通过对程序栅及控制栅施加不同的电压，可以控制沟道处于导通状态或截止状态，实现同或门逻辑。通过对比传统 RFET 以及 DDSD-RFET 的转移特性曲线还可以看出，DDSD-RFET 比传统 RFET拥有更高正向导通电流和更小的反向截止电流。这是由于传统的 RFET 利用金属源漏电极与半导体硅接触形成的肖特基势垒的隧穿电流作为正向导通电流7，而 DDSD-RFET 的金属源漏电极与重掺杂的源漏区之间形成了欧姆接触，其形成的势垒宽度很窄，故载流子更容易隧穿8，从而使器件具有更高正向导通电流和更小的反向截止电流。4结束语在传统可重构场效应晶体管基础之上提出一种双掺杂源漏的设计，通过对程序栅及控制栅施加不同的电压，可控制晶体管处于导通状态或截止状态，从而实现同或逻辑。与传统的 RFET 相比，DDSD-RFET 实现的高导通电流、低反向漏电流和高集成度，使其能够更好的作为突触器件对二值神经网络进行 XNOR 操作，对于建立规模较大的神经网络提供了一定的助益。参考文献：1BAE Jongho,LIM Suhwan,PARK Byunggook,et al.High-density and near-linear synaptic device based on a recon-figurable gated Schottky diodeJ.IEEE Electron DeviceLetters,2017,38(8):1153-1156.2BAE Jongho,KIM Hyeongsu,KWON Dongseok,et al.Re-configurable field-effect transistor as a synaptic device forXNOR binary neural networkJ.IEEE Electron Device Let-ters,2019,40(4):624-627.3陈星弼,张庆中.晶体管原理与设计M.2 版.北京:电子工业出版社,2006.CHEN Xingbi,ZHANG Qingzhong.Transistor principle anddesignM.2nd ed.Beijing:Publishing House of ElectronicsIndustry,2006.4KIM S,KIM S W.Recessed-channel reconfigurable field-effect transistorJ.Electronics Letters,2016,52(19):1640-1642.5孙晓彤,靳晓诗.具有双括号栅的 XNOR 神经元突触研究J.微处理机,2021,42(4):25-28.SUN Xiaotong,JIN Xiaoshi.Study on XNOR neurons syn-apse with double-bracket gateJ.Microprocessors,2021,42(4):25-28.6LEE Wonjoo,KWON Heetae,CHOI Hyunsuk,et al.Recon-figurable U-shaped tunnel field-effect transistorJ.IEICEElectronics Express,2017,14(20):1-11.7马恺璐.基于源漏深肖特基势垒双栅辅栅控制隧穿场效应晶体管D.沈阳:沈阳工业大学,2020.MA Kailu.A novel high Schottky barrier source/drain con-tacts based bilateral gate and assistant gate controlled tun-nel field effect transistorD.Shenyang:Shenyang Universityof Technology,2020.8尼曼.半导体物理与器件M.4 版.赵毅强,姚素英,史再峰,等译.北京:电子工业出版社,2018.NEAMEN D A.Semiconductor physics and devices:basicprinciplesM.4th ed.ZHAO Yiqiang,YAO Suying,SHIZaifeng,et al,transl.Beijing:Publishing House of Electro-nics Industry,2018.图 3转移特性曲线仿真结果对比(b)DDSD-RFET(a)传统 RFET窑14窑