Cryogenic MOSFET Threshold Voltage Model
本文提出了一种基于物理的模型，适用于从室温到低温（4.2 K）的体MOSFET的阈值电压。该模型是来自泊松方程，包括带隙加宽，本征载流子密度缩放，和不完全电离。我们表明，占不完全电离的阈值电压的表达式是一个准确的估计电流的关键。该模型与我们的实验结果进行了验证，从nMOSFET的28 nm CMOS工艺。所开发的模型是低温CMOS紧凑型模型的关键要素，可以作为高性能低温计算和超低功耗量子计算的优化过程的指导。
2019-04-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Beyond the interface: Persistent Hopping Transport and Frequency Dispersion in Strong-inversion Cryogenic MOSFETs
The University of Tokyo（东京大学）；Keio University（庆应义塾大学）
本文报告低温MOSFET在强反型区存在本征频率色散，通过Cole-Cole分析归因于带尾局域态的可变程跳跃，并证明高沟道掺杂下带尾态由电离杂质诱导分布于整个耗尽区，为精确小信号建模提供关键见解。
2026-06-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Numerical simulation and analytical modelling of self-heating in FDSOI MOSFETs down to very deep cryogenic temperatures
首次对30nm FDSOI MOS晶体管在极深低温下进行自加热TCAD数值模拟，计算温升和热阻，开发经校准的解析模型，准确描述器件热特性，为预测电热性能提供有效工具。
2023-09-08 physics.app-ph
Random Telegraph Noise of a 28-nm Cryogenic MOSFET in the Coulomb Blockade Regime
在14 K下，我们从一个商用的28 nm p-MOSFET（PMOS）中观察到了大量的两能级随机电报噪声（RTN）现象，其中库仑阻塞（CB）峰是由沟道中形成的量子点（QD）引起的.在CB驼峰处观察到最小RTN，其中高电流RTN水平急剧切换到低电流水平。RTN幅度和功率谱密度的栅电压依赖性与CB驼峰区域中DC传输曲线的峰值匹配良好。我们的工作明确地捕获了这些电流和噪声中的QD输运特征，揭示了商业短沟道PMOS中的量子限制效应，即使在14 K下，也比QD实验的典型稀释制冷机温度（<100 mK）高出100倍以上。我们设想，我们报告的RTN特性植根于量子点和缺陷陷阱将更突出的较小的技术节点，其中量子效应应仔细检查在低温CMOS电路设计。
2022-06-18 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Reproducibility and variability in commercial SiC MOSFETs at deep-cryogenic temperatures
University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）；National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）
研究分析了商用SiC MOSFET在深低温下的阈值电压和亚阈值摆率，发现低温导致性能退化，包括大的栅极滞回、阈值电压偏移和亚阈值摆率恶化，暗示静电控制不稳定。
2026-05-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Design of Cryogenic Fully Differential Gain Boosting-OTA by the $g_{m}/I_{d}$ methodology used for a 14 bit Pipelined-SAR ADC
量子计算（QC）需要低温电子电路作为量子芯片的控制和读出子系统，以满足量子比特放大的挑战。在此温度下，MOSFET晶体管表现出许多变化，如更高的阈值电压，更高的迁移率，本文介绍了一种用于14位流水线SAR模数转换器的低温全差分增益提升OTA，该ADC工作在4.2K温度下，作为半导体器件的读出电路。基于低温110 nm BSIM 4模型，采用$g_{m}/I_{d}$方法得到预计算查找表，设计的OTA在1.23 GHz处获得了很高的单位增益，开环低频增益为101 dB，在4.2K时总功耗为2.66 mW，在37 MHz的$f_{-3dB}$频率下，闭环设置精度优于0.01%.
2022-04-20 physics.app-ph
Millikelvin Si-MOSFETs for Quantum Electronics
SemiQon Technologies；University of Jyväskylä（于韦斯屈莱大学）
针对硅CMOS电子学高功耗阻碍容错量子计算等应用的问题，研发低温优化的全耗尽绝缘体上硅MOSFET，在420 mK下实现0.3 mV/dec的亚阈值摆幅，突破低于1 K应用的功耗壁垒。
2025-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.app-ph
Spin transport in Si-based spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistors: Spin drift effect in the inversion channel and spin relaxation in the n+-Si source/drain regions
本文从实验和理论上研究了室温下背栅型自旋金属氧化物半导体场效应晶体管（spinMOSFET）的二维反型沟道中电子自旋输运和自旋分布。沟道长度为0.4 $μ$ m的自旋MOSFET的磁阻比从我们之前的论文[Phys. Rev. B 99，165301（2019）]中增加了6倍，这是通过降低具有高磷掺杂n+-Si区域的源极/漏极结处的寄生电阻以及通过增加沟道中沿电子输运的横向电场来实现的，称为“自旋漂移”。对于沟道长度为10 $μ$ m的自旋MOSFET，在横向电场作用下观察到了清晰的Hanle信号，并出现了一些振荡峰，表明自旋漂移显著地增加了有效的自旋扩散长度.考虑到n+-Si区和沟道中的自旋漂移，导出了自旋漂移对自旋输运影响的一维解析函数，这些解析函数可以解释几乎所有的实验结果.从计算的自旋电流和自旋分布，它表明，几乎所有的自旋在自旋漂移辅助输运通过0.4- $μ$ m长的反型沟道，但从源极注入的自旋的大部分是在源极和漏极结的n+-Si区域弛豫。这意味着自旋漂移是有用的，并且器件结构的精确设计对于获得更高的磁阻比是必不可少的。此外，我们发现，在这项研究中引入的有效自旋电阻是非常有帮助的理解如何提高自旋MOSFET的磁电阻比的实际应用。
2020-03-05 physics.app-ph
Characterization and Modeling of Self-Heating in Nanometer Bulk-CMOS at Cryogenic Temperatures
本工作提出了一个自加热的40纳米体CMOS工艺在环境温度范围从300 K到4.2 K的研究。设计并制造了一种定制的测试芯片，用于测量MOSFET沟道和周围硅衬底中的温升，分别使用栅极电阻和硅二极管作为传感器。由于自加热取决于器件几何形状和功率密度等因素，因此这项工作中表征的测试结构专门设计为类似于低温量子位控制IC中使用的实际器件。严重的自加热被观察到在深低温环境温度下，导致通道温度上升超过50 K，并具有可检测到的影响，在距离高达30微米的设备。通过从不同温度下的测量数据中提取热阻，结果表明，一个简单的模型能够准确地预测从深低温到室温的整个环境温度范围内的通道温度。在这项工作中提出的结果和建模有助于实现低温CMOS电路的可靠设计和操作所需的完整的自加热意识的IC设计流程。
2021-06-15 physics.app-ph quant-ph
Radio-frequency reflectometry in silicon carbide large-area transistors
University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）；National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）
研究了在低温下大面积硅碳晶体管中应用射频反射法进行高带宽读取的可行性，发现寄生电容影响了射频响应，提出改进电路配置以恢复灵敏度。
2026-05-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Explicit screening full band quantum transport model for semiconductor nanodevices
用于半导体纳米器件的现有技术量子输运模型将负（正）单位电荷归因于导（价）带的状态。使能带到能带隧穿的混合状态受到内插，产生依赖于模型的电荷贡献。在任何纳米器件结构中，这些模型依赖于介电常数的器件和物理特定输入。本文阐明了不同的电荷解释模型时，适用于半导体晶体管性能预测的大的可变性。为了解决这一建模挑战，一个只有电子的能带结构模型扩展到原子的量子输运。MOSFET和隧穿FET的性能预测证实了新模型的通用性及其与附加屏蔽模型的独立性。
2018-03-30 physics.app-ph
III-V Tri-Gate Quantum Well MOSFET: Quantum Ballistic Simulation Study for 10nm Technology and Beyond
在这项工作中，量子弹道模拟研究的III-V族三栅MOSFET已经提出。同时，观察并给出了器件参数变化对弹道、亚阈值和短沟道性能的影响。弹道模拟结果也被用来观察该器件的静电性能和电容-电压特性。随着不断追求与摩尔定律保持同步，以及积极的缩放和接近弹道极限的器件操作，有必要在10 nm栅极长度上进行完整的量子输运研究。我们的模拟揭示了增加沟道横截面的器件漏极电流的增加。但随着信道截面的增大，短信道性能和亚阈值性能逐渐下降。增加器件横截面降低了器件的阈值电压。还观察了栅氧化层厚度对弹道器件性能的影响。顶部栅极氧化层厚度的增加仅在一定范围内影响器件性能。然而，顶栅氧化层的厚度对器件阈值电压没有明显的影响。弹道模拟研究已被进一步用于提取弹道注入载流子的速度和弹道载流子迁移率在沟道中。器件尺寸和栅氧化层厚度对弹道速度和有效载流子迁移率的影响也被提出。
2018-02-26 physics.app-ph physics.comp-ph
A Symmetric Unified Transport and Charge Model for Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor from Diffusive to Ballistic Regimes
Synopsys（新思科技）
提出一种对称统一输运紧凑模型，通过高场散射长度统一漂移-扩散与弹道输运，并引入量子电容和沟道电荷模型，准确描述从扩散到弹道极限的电流和电容行为。
2026-05-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Quasiballistic electron transport in cryogenic SiGe HBTs studied using an exact, semi-analytic solution to the Boltzmann equation
硅锗异质结双极晶体管（HBT）由于其相对于III-V器件具有竞争性的噪声性能和低成本而作为低噪声微波放大器受到关注。因此，HBT的基本噪声性能限制是令人感兴趣的，并且一些研究报告称，穿过基极的准弹道电子输运是导致影响这些限制的低温非理想IV特性的机制。然而，这一结论还没有严格的测试对理论预测，因为以前的研究建模电子输运与经验的方法或近似解的玻尔兹曼方程。在这里，我们研究非扩散输运窄基区SiGe HBT使用精确的，半解析解的玻尔兹曼方程的基础上的渐近展开方法。我们发现，计算的输运特性与实验不一致，这意味着准弹道电子输运是不可能的起源低温非理想IV特性。我们的工作有助于确定机制的低温HBT放大器的微波噪声系数的下限。
2021-09-02 astro-ph.IM cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Multi-Branch Transport in a Back-gated WS$_2$ Transistor at Deep-Cryogenic Temperature
University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）；Tyndall National Institute, University College Cork（科克大学廷德尔国家研究所）；School of Chemistry, University College Cork（科克大学化学学院）；National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）
该研究在深低温（20 mK）下表征背栅多层WS$_2$晶体管，发现其保持强栅极可调性（开关比>10^5），并观察到可重复的肩状开启特征，通过多有效导电分支并联的唯象模型加以解释。
2026-10-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Dominant scattering mechanisms in the low/high electric field transport in cryogenic 2D confinement in Silicon (110) with high-$κ$ oxides
National Taiwan University（台湾大学）；Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd.（台湾积体电路制造股份有限公司）
通过多谷蒙特卡洛模拟研究硅(110)系统中的电子输运，揭示低温下低电场时迁移率由远程库仑散射和表面粗糙度散射竞争决定，高电场时声子发射主导限制速度增强。
2026-07-03 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Engineering Cryogenic FETs: Addressing SCEs and Impact of Interface Traps Down to 2 K Temperature
本文通过TCAD框架研究低温FETs设计，揭示界面陷阱对短沟道效应和亚阈值摆幅的影响，为低温CMOS技术优化提供指导。
2025-12-02 physics.app-ph
High-performance and Low-power Transistors Based on Anisotropic Monolayer $β$-TeO$_2$
二维（2D）半导体为高性能和高能效器件提供了有希望的前景，特别是在亚10 nm区域。受2D $β$-TeO $_2$的成功制造以及所制造的场效应晶体管（FET）的高开/关比和高空气稳定性的启发[Nat.Electron.2021，4，277]，我们提供了对单层$β$-TeO $_2$的电子结构和基于该材料的亚10 nm金属氧化物半导体FET（MOSFET）的器件性能的全面研究。单层$β$-TeO $_2$的各向异性电子结构对MOSFET输运性质的各向异性起着关键作用。我们发现，根据国际器件与系统路线图（IRDS）2020年高性能器件目标，5.2 nm栅长n型MOSFET具有超过3700 μ A/μ m的超高通态电流，这得益于高度各向异性的电子有效质量。此外，单层$β$-TeO $_2$ MOSFET在通态电流、亚阈值摆幅、延迟时间和功率延迟积方面均能满足IRDS 2020的高性能和低功耗器件目标。这项研究揭示了单层$β$-TeO $_2$作为一个有前途的候选人，在未来的纳米电子学超规模的设备。
2022-02-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermal performance estimation for cryogenic storage tanks: Application to liquid hydrogen
针对液氢低温储罐的漏热估算问题，推导了20 K液氢相比77 K液氮漏热量增加的理论界限（低于26%），并比较了热网络模型与有限元方法，证明前者在保持约1%误差的同时具备快速鲁棒的优势。
2025-01-30 physics.app-ph
Electron Charge Sensor with Hole Current Operating at Cryogenic Temperature
本研究开发了一种结合SOI-NMOS和SOI-PMOS多栅极结构形成硅量子点阵列的电子电荷传感器，通过体偏置效应在5K低温下利用空穴电流实现电子数量的阶梯状感知。
2023-02-13 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Subthreshold Swing Behavior in Amorphous Indium-Gallium-Zinc-Oxide Transistors from Room to Cryogenic Temperatures
本研究系统分析了非晶IGZO晶体管从室温到4 K的亚阈值摆幅，揭示了带尾态输运和变程跳跃机制，为低温电子器件设计提供了理论指导。
2025-06-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Cryogenic In-Memory Computing with Phase-Change Memory
IBM Research -- Europe（IBM 欧洲研究院）；École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本研究在5K至室温范围内全面表征了相变存储器器件，系统研究了相变、阈值开关、电输运、结构弛豫和读取噪声等关键机制，为低温内存计算应用提供了重要基础。
2025-09-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Effect of strain and diameter on electronic and charge transport properties of indium arsenide nanowires
采用第一性原理计算研究了单轴压应变、拉伸应变和直径对砷化铟（InAs）纳米线电子能带结构的影响.从松弛和应变纳米线的电子结构中提取有效质量和带隙。材料的性质提取和应用，以确定通过有效质量近似内所描述的纳米线的电荷传输，并通过应用非平衡格林函数方法。输运计算自洽地求解了具有开放边界条件的薛定谔方程和用于静电的泊松方程。该器件结构对应于具有InAs NW沟道的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），该沟道处于栅极全包围几何结构中。沟道截面用于3 × 3 nm 2至1 × 1 nm 2范围内的高度缩放器件。应变对能带结构和电性能的影响进行了评估不同的NW方向和直径通过量化亚阈值摆动和ON/OFF电流比。我们的研究结果显示，对于临界尺寸为几纳米的InAs NW晶体管，晶体取向和量子限制效应主导器件行为，但必须包括应变效应，以提供准确的晶体管性能预测。
2018-08-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Cryogenic electro-optic interconnect for superconducting devices
将信息编码到光场上是现代电信网络的支柱。与电缆相比，光纤提供低损耗的传输和巨大的带宽，目前也正在取代短距离通信的同轴电缆。光纤还表现出显著较低的热导率，使得光学互连对于与超导电路和设备的接口具有吸引力。然而，人们对低温下的调制知之甚少。在这里，我们展示了一个原理验证实验，表明目前采用的掺钛铌酸锂调制器保持在3 K-经典微波放大器电路的基准温度的Pockels系数。我们实现了超导机电电路的电光读出，以执行相干光谱，测量光机械诱导的透明度，和非相干测温，编码的热机械边带的光信号。虽然实现的噪声系数很高，但匹配较低带宽微波信号的方法，使用具有较高EO系数的集成器件或材料，应该实现与当前HEMT放大器类似的增加的噪声，为新兴的量子或经典计算平台提供并行读出的途径。
2020-09-11 physics.app-ph physics.optics quant-ph
