基本案例仿真 薄膜晶体管（TFT）

   薄膜晶体管（TFT）是半导体工业中最基础、最重要的三端电子元器件。TFT与MOSFET同为场效应晶体管，但与MOSFET不同的是，TFT的沟道使用相同掺杂类型的材料，栅极控制沟道导通的方式为多子积累。我们将展示 Nuwa TCAD工具对简单结构的薄膜晶体管（TFT）的仿真，讨论其输出和转移特性。

一、材料参数

1 基本参数

材料名称	多晶硅（Poly）	二氧化硅（SiO2）	钼（Mo）	玻璃（Accuglass）
禁带宽度/eV	1.169-4.73×10-4•T2/(T+636.0)	N/A	N/A	N/A
相对介电常数	11.9	3.9	13.6	3.9
亲和势/eV	4.17	1	4.9	1
电子有效质量/m0	0.33	N/A	N/A	N/A
空穴有效质量/m0	0.55	N/A	N/A	N/A
电阻率/Ω·m	N/A	N/A	5.3476×10-8	N/A

默认温度 T=300K

2 模型

1.Mobility Model Low Field：Analytic Low-Field Mobility Model

$${\mu }_0={\mu }_1\cdot (\frac{T_L}{300}{)}^{\alpha }+\frac{{\mu }_2\cdot (\frac{T_L}{300}{)}^{\beta }-{\mu }_1\cdot (\frac{T_L}{300}{)}^{\alpha }}{1+(\frac{N}{N_{crit}}{)}^{\delta }\cdot (\frac{T_L}{300}{)}^{\gamma }}\backslash mu\_0\; =\; \backslash mu\_1\; \backslash cdot(\backslash frac\{T\_L\}\{300\})^\{\backslash alpha\}+\backslash frac\{\backslash mu\_2\; \backslash cdot\; (\backslash frac\{T\_L\}\{300\})^\{\backslash beta\}\; -\; \backslash mu\_1\backslash cdot(\backslash frac\{T\_L\}\{300\})^\{\backslash alpha\}\}\{1\; +\; (\backslash frac\{N\}\{N\_\{crit\}\})^\{\backslash delta\}\; \backslash cdot\; (\backslash frac\{T\_L\}\{300\})^\{\backslash gamma\}\}$$

symbol	parameter name	electron value	Hole value	units
μ1	mu1	0.005524	0.00497	m2/(V*s)
μ2	mu2	0.142923	0.047937	m2/(V*s)
α	alpha	0.0	0.0	N/A
β	beta	-2.3	-2.2	N/A
γ	gamma	-3.8	-3.7	N/A
𝛿	delta	0.73	0.70	N/A
Ncrit	Ncrit	1.072×1023	1.606×1023	m-3

High Field：Canali Model

$$\mu =\frac{{\mu }_0}{{(1+{\left({\mu }_{0}F\mathrm{/}{v}_s\right)}^{\beta })}^{1\mathrm{/}\beta }}\backslash mu=\backslash frac\{\backslash mu\_0\}\{\backslash left(1+\backslash left(\backslash mu\_0\; F\; /\; v\_s\; \backslash right)^\{\backslash beta\}\backslash right)^\{1\; /\; \backslash beta\}\}$$ $$v_s=\frac{\alpha }{1+\theta \cdot exp\left(\frac{T_L}{T_{nom}}\right)}v\_s\; =\; \backslash frac\{\backslash alpha\}\{1+\backslash theta\; \backslash cdot\; exp\backslash left(\; \backslash frac\{T\_L\}\{T\_\{nom\}\; \}\; \backslash right)\}$$ $$\beta ={\beta }_0\cdot {\left(\frac{T_L}{300}\right)}^{{\beta }_{exp}}\backslash beta\; =\; \backslash beta\_0\; \backslash cdot\; \backslash left(\; \backslash frac\{T\_L\}\{300\}\; \backslash right)^\{\backslash beta\_\{exp\}\}$$

symbol	parameter name	electron value	Hole value	units
β0	beta0	1.109	1.213	N/A
βexp	betaexp	0.66	0.17	N/A
α	alpha	2.4×105	2.4×105	m/s
θ	theta	0.8	0.8	N/A
Tnom	Tnom	600	600	K

2.Carrier Statistics：Fermi-Dirac distributions

3.Incomplete Ionization Model

二、结构建立

1 基底与工艺选择

   基底材料：玻璃（Accuglass）

   工艺：
   步骤1 在基底玻璃（Accuglass）上沉积一层多晶硅（Poly）
   步骤2 对多晶硅（Poly）进行p掺杂，两端掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，沟道中间掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3
   步骤3 在多晶硅（Poly）上沉积一层二氧化硅（SiO₂）
   步骤4 在二氧化硅（SiO₂） 上沉积一层钼（Mo）

2 电极

   钼（Mo）外接欧姆电极：栅极gate
   多晶硅（Poly）两侧外接欧姆电极: 源极source和漏极drain

三、平衡态求解

   栅极gate、源极source和漏极drain电压均为0V

四、非平衡态求解

   1 转移特性扫描 源极source电压保持0V，漏极drain电压保持5V，栅极gate电压由-20V增加至10V
   2 输出特性扫描 源极source电压保持0V，栅极gate电压分别保持-8V、-10V、-12V，漏极drain电压由0V增加至10V

五、仿真结果及物理正确性的分析

1 基本物理量分布

   平衡态下沟道中央p掺杂浓度较低，空穴浓度较低，沟道不导通；当栅极反向偏压后，沟道中出现多子积累效应，空穴浓度升高，当空穴浓度大到一定数值后，沟道导通。平衡态和栅极反向偏压(-10V)时空穴浓度分布如下：

平衡态空穴浓度分布	栅极反向偏压(-10V)时空穴浓度分布

2 特性曲线

   转移特性 在源极电压保持0V，漏极电压保持5V，栅极电压由-20V增加至10V的过程中，栅极电压为负时沟道中间空穴发生多子积累，漏极电流较大；随着栅极电压增加，沟道空穴浓度减小，逐渐不导通，I_D-V_G曲线如下：

   输出特性 源极电压保持0V，栅极电压分别保持-8V、-10V、-12V，此时沟道已经导通，漏极电流随漏极电压增大而增大，而且栅极反向偏压越大，沟道的导电能力越强。I_D-V_D曲线如下：

六、总结

   Nuwa TCAD工具对薄膜晶体管(TFT)的仿真结果符合物理特性：
   1.转移特性曲线中，栅极正向偏压下沟道中间空穴浓度低，沟道不导通，电流很小；栅极反向偏压时，随偏压增大，沟道中间空穴出现积累，沟道导电能力增强，电流增大。
   2.输出特性曲线中，在栅极反向偏压下，漏极电流随漏极电压增大而增大；栅极反向偏压越大，漏极电流越大。