Negative Capacitance DG Junctionless FETs: A Charge-based Modeling Investigation of Swing, Overdrive and Short Channel Effect
基于电荷模型，提出了对称长沟道双栅无结晶体管负电容效应的解析预测模型。特别地，我们研究了铁电体的厚度对I-V特性的影响。重要的是，第一次，我们的模型预测，负电容最大限度地减少短沟道效应和提高电流放大，使低功耗操作和更有效的晶体管尺寸缩放，而降低亚阈值斜率的效果显示系统的改善，亚临界亚阈值斜率值在高电流水平（0.1 { \textmu }A/{ \textmu }m）。我们的预测结果表明，在一个长沟道无结与NC的ON电流的改善，由6倍相比，无结FET。这组方程可以作为基础，探索这种技术助推器及其缩放将如何影响器件在功率性能方面的主要品质因数，并清楚地了解器件物理特性。的分析模型的有效性证实了广泛的比较与数值TCAD模拟在所有区域的操作，从深耗尽积累和从线性饱和。
2020-12-10 physics.app-ph
Ultra-Low Power Neuromorphic Obstacle Detection Using a Two-Dimensional Materials-Based Subthreshold Transistor
本文提出一种基于二维材料亚阈值晶体管的超低功耗脉冲神经元，实现约3.5 pJ/脉冲的高能效和LGMD式碰撞检测，并能高选择性区分逼近与远离物体。
2023-02-04 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
The Core Diffusion-Drift Field-Effect Transistor Theory Including Quantum and Interface Trap Capacitances
我们将场效应晶体管的建模分解为两个独立的部分：基于电流连续性的动力学和基于电荷中性的静电学。前一部分，这是通用的所有FET，导致一个明确的和封闭的形式的I-V特性作为总沟道电荷的函数。后一部分，这是特定的材料和几何配置，可以被认为是一个独立的工程任务。量子电容和界面陷阱密度一致地纳入到扩散漂移近似中的电流连续性方程的解中，从而提供电流和电容小信号特性的完全一致性。
2018-10-04 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
A Thermodynamic Perspective of Negative-capacitance Field-effect-transistors
铁电场效应晶体管（FeFET）的操作的物理现象在一个统一的模拟框架内处理。该框架结合了Landau平均场处理的自由能的铁电体和极化动力学根据Landau-Khalatnikov（LK）方程。这些方程与一维金属氧化物半导体（MOS）结构的静电和漂移扩散的解决方案，在半导体沟道中的电流自洽解决。数值模拟表明，取决于铁电体（FE）的厚度，两个制度的滞后切换（相关的非易失性存储器）和较高的导通电流和陡峭的亚阈值斜率（SS）与一个可以忽略不计的滞后（相关的逻辑）通过负电容效应。
2017-06-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Negative Capacitance Enables FinFET Scaling Beyond 3nm Node
利用TCAD软件对负电容FinFET（NC-FinFET）的尺寸缩放进行了全面的研究。我们表明，NC-FinFET可以扩展到“2.1纳米节点”和几乎“1.5纳米节点”，这是行业“3纳米节点”之后的两个节点，该节点具有16纳米Lg，是国际路线图中的最后一个FinFET节点设备和系统（IRDS）。此外，对于中间节点，NC-FinFET可以在目标跳动VDD下满足IRDS Ion和Ioff目标。负电容（NC）的优点包括改善亚阈值斜率（SS）、漏极感应势垒降低（DIBL）、Vt滚降、Id上的跨导（Gm/Id）、Id上的输出电导（Gd/Id）和更低的VDD。通过改善铁电体（FE）和电介质（DE）之间的电容匹配可以实现进一步的缩放。
2020-07-28 physics.app-ph
How do Quantum Effects Influence the Capacitance and Carrier Density of Monolayer MoS$_2$ Transistors?
当晶体管栅极绝缘体具有纳米级等效氧化物厚度（EOT）时，由于沟道的量子电容和电荷质心电容，栅极电容（$C_\textrm{G}$）变得小于氧化物电容（$C_\textrm{ox}$）。在这里，我们研究单层的MoS $_\textrm{2}$作为一个原型的二维（2D）通道的电容，同时考虑空间变化的潜力，电荷密度，和状态密度。在0.5 nm EOT处，单层MoS $_\textrm{2}$电容小于其量子电容，对于0.5 V和1 V之间的栅极击穿电压，将n型沟道的单栅极$C_\textrm{G}$限制在$C_\textrm{ox}$的63%和78%之间。尽管有这些限制，对于双栅极器件，单层MoS $_\textrm{2}$的导通态$C_\textrm{G}$在0.5 nm EOT时比硅的导通态大50%，在1 nm EOT时比InGaAs的导通态大三倍以上，这表明2D半导体在未来的技术节点上有望用于纳米级器件。
2023-02-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The Influence of Fin Shape on the Amplitude of Random Telegraph Noise in the Subthreshold Regime of a Junctionless FinFET
本文通过数值模拟研究无结FinFET鳍形对随机电报噪声的影响，发现梯形截面沟道在亚阈值区及阈值电压处的RTN幅度均显著低于矩形截面及平面全耗尽和常规FinFET。
2024-02-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Analytical Modelling of Ferroelectricity Instigated Enhanced Electrostatic Control in Short-Channel FinFETs
本文利用TCAD模拟了沟道长度为25 ~ 100 nm的负电容双栅FinFET。结果表明，负电容显著降低了亚阈值摆幅和漏致势垒降低效应。发现短沟道器件的改善比长沟道器件显著更突出，这表明负电容栅堆叠对于缩放MOSFET的巨大优势。一个紧凑的分析公式，以量化短沟道器件的亚阈值摆幅改善。
2021-04-07 physics.app-ph
Power Side-Channel Attacks in Negative Capacitance Transistor (NCFET)
侧信道攻击使得能够绕过电路中的加密组件。电力侧信道（PSC）攻击由于其非侵入性和经验证的有效性而受到特别的关注。除了专注于常规技术的现有技术之外，这是在PSC攻击的背景下研究新兴的负电容晶体管（NCFET）技术的第一项工作。我们实现了一个CAD流程PSC评估在设计时。它利用了行业标准的设计工具，同时还采用了广泛接受的相关功率分析（CPA）攻击。使用基于7nm FinFET技术的标准单元库NCFET及其对应的CMOS设置，我们的评估表明，基于NCFET的电路更能抵抗经典的CPA攻击，这是由于负电容对开关功率的相当大的影响。我们还证明了铁电层越厚，基于NCFET的电路的弹性就越高，这为优化和权衡打开了新的大门。
2020-07-08 cs.CR physics.app-ph
A Critical Review of Recent Progress on Negative Capacitance Field-Effect Transistors
器件概念的简洁性和摩尔定律黄昏时对新“晶体管”的迫切需求激发了工业界和学术界的许多研究人员探索负电容场效应晶体管（NC-FET）的物理和技术。虽然已有数百篇论文发表，但准静态NC的有效性和NC-FET的频率可靠性限制仍存在争议。数控的概念-如果最终证明-将对设备物理和技术发展产生广泛的影响。在这里，作者对NC-FET研究的最新进展进行了评论，并提出了一些连贯讨论的出发点。
2019-03-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Negative Capacitance for Stabilizing Logic State in Tunnel Field-Effect Transistor
本研究提出基于铁离子晶体的NC-TFET，利用铁电/顺电相空间分布产生的负电容，在Vth以下稳定n沟道电导，实现非易失性逻辑状态。
2024-03-18 cond-mat.mtrl-sci 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
Negative Capacitance Ion-Sensitive Field-Effect Transistors with improved current sensitivity
离子敏感场效应晶体管（ISFET）由于其免标记检测和固有的CMOS兼容性，形成了广泛的传感技术。然而，对于给定的ΔpH，它们的电流灵敏度ΔID/ID受到金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的亚阈值斜率（SS）的电子极限和能斯特极限的限制。获得具有陡斜率传输特性的ISFET是极其具有挑战性的。在本文中，我们结合了传统的ISFET的优点，通过插入一个负电容与栅极接触串联提供的性能提升。在建议的测试与NC PZT电容器，我们证明实验减少了44%的SS，结合电流效率提高了两倍以上。由于更陡的SS，电流对pH的灵敏度提高了78%。
2019-06-26 physics.app-ph physics.ins-det
Combined electrical transport and capacitance spectroscopy of a ${\mathrm{MoS_2-LiNbO_3}}$ field effect transistor
我们测量了$\mathrm{MoS_2-LiNbO_3}$场效应晶体管的电流-电压（$V_\mathrm{GS}$）和电容-电压（$C$）特性。从测得的电容，我们计算出的电子表面密度，并表明，其栅电压的依赖关系如下的理论预测从二维自由电子模型。该模型允许我们在$V_\mathrm{GS}$的\emph{entire range}上拟合测量的$I_\mathrm{SD}$-$V_\mathrm{GS}$特性。结合这个实验结果与测量的电流-电压特性，我们确定了场效应迁移率作为栅极电压的函数。我们表明，对于我们的设备，这种改进的组合方法产生显着更小的值（超过4倍）的电子迁移率比传统的分析的电流-电压特性。
2017-01-02 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Negative capacitance overcomes Schottky-gate limits in GaN high-electron-mobility transistors
本研究提出使用铁性HfO2-ZrO2双层作为栅介质，在GaN高电子迁移率晶体管中同时提升开态电流并降低漏电流，突破了肖特基栅极的常规限制，为基于2DEG的晶体管性能优化提供了新路径。
2025-06-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The impact of process steps on nearly ideal subthreshold slope in 300-mm compatible InGaZnO TFT
本文研究了300毫米兼容InGaZnO TFT中顶栅结构导致亚阈值摆幅退化的原因，通过导纳测量和工艺分析揭示氢在陷阱密度增加及SS劣化中的关键作用。
2025-06-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Could the negative capacitance effect be used in field-effect transistors with a ferroelectric gate?
本文分析了由SiO_2和弱铁电HfO_2构成栅绝缘层的金属氧化物-铁电场效应晶体管（MOSFET）的电势、电场、极化和电荷分布以及微分电容。当HfO_2层的厚度接近尺寸诱导铁电-顺电相变的临界厚度时，有可能获得准稳态的负电容C_（HfO_2）<0。准稳态负电容是铁电体的一种非常缓慢变化的瞬态，对应于整个系统的正电容，因此它的出现并不违反任何热力学原理。栅极绝缘层的准稳态负电容C_ins的实现可以打开将MOSFET亚阈值摆幅降低到临界值以下以及将栅极电压降低到基本玻尔兹曼极限以下的主要可能性。然而，我们没有找到在准稳态下C_ins为负的参数，因此，负的C_（HfO_2）不能使亚阈值摆幅降低到基本极限以下。然而，随着C_（HfO_2）<0，C_ins的增加可以减小摆幅，减少器件在工作循环中的发热，从而有助于进一步改善MOSFET的性能。
2022-08-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Trap-Enhanced Steep-Slope Negative-Capacitance FETs Using Amorphous Oxide Semiconductors
Incheon National University（仁川国立大学）
研究通过非晶氧化物半导体构建负电容FET，揭示陷阱密度对陡坡操作的影响，发现陷阱增强负电容层的负电势降，从而实现陡峭的阈值摆动。
2026-03-06 cond-mat.other physics.app-ph
First Demonstration of Robust Tri-Gate \b{eta}-Ga2O3 Nano-membrane Field-Effect Transistors Operated Up to 400 °C
首次采用剥离法在SiO2/Si衬底上制备了纳米薄膜三栅β-氧化镓（\b{eta} -Ga 2 O 3）场效应晶体管（FET）。通过采用电子束光刻，最小尺寸的特征可以用50 nm的鳍结构来限定。为了在\b{eta} -Ga 2 O 3和栅极电介质之间获得高质量的界面，利用原子层沉积的15 nm厚的氧化铝（Al 2 O 3）和三甲基铝（TMA）自清洁表面处理。所制造的器件表现出极低的亚阈值斜率（SS）为61 mV/dec，高漏极电流（IDS）的开/关比为1.5 × 109，和可忽略的传输特性滞后。我们还通过实验证明了这些器件在高达400 °C的温度下测量的电流-电压（I-V）特性的鲁棒性。
2021-05-04 physics.app-ph
2D Canonical Approach for Beating the Boltzmann Tyranny Using Memory
Universidade Federal de São Carlos（圣卡洛斯联邦大学）；Julius-Maximilians-Universität Würzburg（维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学）
本文提出了一种二维规范方法，通过记忆效应突破传统晶体管的亚阈值限制，展示了内在记忆效应在纳米级场效应晶体管中自然绕过这一限制，并提供了通用的设计原则。
2026-05-18 physics.app-ph
Dual-Material Double-Gate Source-Pocket Tunnel Field Effect Transistor with Homogeneous Gate Dielectric: Computational Analysis of Structural and Material Parameters for Enhanced Performance
该研究通过二维 TCAD 仿真分析采用均匀栅介质的硅基 DMDG-SP TFET，优化结构与材料参数，在简化制造的同时显著提升电流、开关比和亚阈值性能。
2025-06-10 physics.app-ph
MoS$_{2}$/Al$_{0.68}$Sc$_{0.32}$N negative capacitance field-effect transistors
本研究报道了基于AlScN铁电材料的MoS$_{2}$负电容场效应晶体管，通过引入满足电容匹配条件的非铁电介电层最小化迟滞，并在大面积单层MoS$_{2}$阵列中实现了低于热离子极限的亚阈值摆幅和极小的阈值电压变化。
2023-07-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Sub-60 mV/decade switching via high energy electrons tunneling in nanoscale gallium nitride field-effect transistors
诸如隧穿场效应晶体管（FET）和铁电FET的新型器件已经被证明能够突破亚阈值摆幅（SS）限制，具有低于60 mV/十倍的开关，用于进一步的低电压/低功率应用。本文首次在InAlN/GAN高电子迁移率晶体管（HMETs）中观察到低于60 mV/dec的SS：在栅长（Lg）为40 nm的InAlN/GAN HMETs中，漏源（Ids）的三个数量级上的平均SS为30 mV/dec，最小逐点SS为15 mV/dec。结果表明，SS随漏源电压（Vds）和Lg的增大而减小，当Lg < 100 nm时，SS降至60 mV/dec以下。随着器件尺寸的减小，SS的减小归因于高能电子从沟道到表面的隧穿。随着栅长的减小，SS减小，这表明InAlN/GAN HEMT在未来的逻辑开关中具有很大的应用潜力。
2020-05-18 physics.app-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
Graphene on Silicon Hybrid Field-Effect Transistors
本研究提出了一种独特的硅基石墨烯异质结构溶液栅极场效应晶体管，通过电学表征和基于物理的紧凑模型，揭示了石墨烯作为硅沟道屏蔽层导致电势分布不均并影响亚阈值摆幅的混合输运机制。
2022-04-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Negative compressibility in MoS2 capacitance
大电容增强对于增加场效应晶体管（FET）的栅极电容以产生具有改进的栅极可控性的低能耗器件是有用的。我们报告了一种新出现的二维通道材料二硫化钼（MoS 2）的强电容增强效应。增强效应是由于在低载流子密度制度在二硫化钼强的电子-电子相互作用。我们在单层器件中实现了约50%的电容增强，在双层器件中实现了约10%的电容增强。然而，在多层（层数>3）器件中，增强效果不明显。使用Hartree-Fock近似，我们说明了同样的趋势，在我们的逆压缩性数据。
2020-02-04 cond-mat.mes-hall physics.app-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
On the negative capacitance in ferroelectric heterostructures
该研究基于 Landau-Denvonshire 理论分析铁电/介电异质结构，揭示临界厚度与电场窗口对负电容稳定性及 P-E 回线迟滞行为的决定规律。
2024-09-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Efficient charge modulation in ultrathin LaAlO$_3$-SrTiO$_3$ field-effect transistors
在LaAlO $_3$ -SrTiO $_3$界面，通过调制载流子密度可以触发电子相变，使得该系统成为实现多功能电子器件的良好前景。在这里，我们报告可重复的晶体管操作在局部栅控LaAlO $_3$ -SrTiO $_3$场效应器件的LaAlO $_3$电介质是只有四个单位细胞薄，在这个界面上的临界厚度传导。这种极薄的电介质允许在$\pm1$ V的栅极电压窗口内进行${\sim}3.2\times10^{13}$ cm $^{-2}$的非常有效的电荷调制，如从电容-电压测量中提取的。这些也揭示了栅极和源极之间的大的杂散电容，呈现出纳米级器件操作的复杂性。尽管小的LaAlO $_3$厚度，我们观察到一个可以忽略不计的栅极漏电流，我们归因于扩展到SrTiO $_3$基板的导电状态。
2019-09-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermally Oxidized Two-dimensional TaS2 as a High-\k{appa} Gate Dielectric for MoS2 Field-Effect Transistors
我们报告了一种新的方法来集成高\k{appa}的底部和顶部栅控二硫化钼场效应晶体管（FET）通过热氧化和机械组装的分层二维（2D）的TaS 2。结合X射线光电子能谱学（XPS）、光学显微镜、原子力显微镜（AFM）和电容-电压（C-V）测量证实多层TaS 2薄片可以通过热氧化均匀地转化为具有~ 15.5的高介电常数的Ta 2 O 5，同时保持2D TMD的几何形状和超光滑表面。使用热氧化的Ta 2 O 5作为栅介质制造的顶栅MoS 2 FET表现出接近106的高电流开/关比，亚阈值摆幅（SS）下降到61 mV/dec，并且在室温下的场效应迁移率超过60 cm 2 V-1 s-1，表明高介电质量和低界面陷阱密度。
2018-08-24 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
TeraFET terahertz detectors with spatially non-uniform gate capacitances
太赫兹场效应晶体管（TeraFET）沟道中的非均匀电容分布可以显著提高太赫兹探测性能。对于指数变化的电容与距离的流体动力学方程的解析解和模拟显示，130 nm Si TeraFET的响应度增加了约10%，与数值模拟非常一致。使用流体动力学方程的数值解，我们比较了三种不同的Cg配置（指数，线性和非线性）。仿真结果表明，该配置提供了最大的响应可调性。我们还比较了Si，III-V和p-金刚石TeraFET的非均匀电容分布的影响。结果证实了p-金刚石在太赫兹应用中的巨大潜力。改变跨沟道的阈值电压可以具有与改变栅极到沟道电容类似的效果。THz检测性能的改进背后的物理学与通过组成不对称的器件几何形状打破通道对称性有关。
2021-08-29 eess.SP physics.app-ph
Quantum Capacitance-Limited MoS2 Biosensors Enable Remote Label-Free Enzyme Measurements
我们已经证明了原子薄，量子电容限制，场效应晶体管（FET），使检测pH值的变化与~75倍更高的灵敏度（4.4 V/pH值）超过能斯特值59 mV/pH值在室温下，当用作生物传感器。晶体管由单层MoS 2和室温离子液体（RTIL）代替传统的氧化物栅极电介质制成，具有非常低的固有噪声，在10 Hz时的pH检测限（LOD）为92 × 10 ^-6。这种高器件性能是我们器件结构的一个功能，通过将栅极远程连接到pH传感元件来实现，从而允许FET重复使用。由于pH值测量在生物技术中至关重要，因此此处展示的低检测限将有利于从制药到临床诊断的众多应用。作为一个例子，我们实验量化的激酶Cdk 5，在阿尔茨海默氏病中牵连的酶，在浓度比生理值低5倍，并具有足够的时间分辨率，以允许在一个单一的实验中的稳态和动力学参数的估计的功能。测量的高灵敏度，低LOD和快速周转时间将允许开发早期诊断工具和新型治疗方法，以检测和治疗目前可能的神经系统疾病。
2018-12-21 physics.app-ph q-bio.QM
Gate-controlled field emission current from MoS$_2$ nanosheets
利用化学气相沉积法在SiO $_2$ /Si衬底上制备了单层二硫化钼（MoS $_2$）纳米片，制备了n型导电、高开/关比、亚阈值斜率和良好迁移率的场效应晶体管。晶体管沟道电导随着由于氧和水解吸而导致的降低的空气压力而增加。局部场发射测量从边缘的MoS $_2$纳米片在高真空中使用尖端形状的阳极进行。结果表明，施加到Si衬底背栅的电压调制场发射电流。这样的发现，我们归因于栅极偏置降低的MoS $_2$的电子亲和力，使一种新的场效应晶体管的基础上的场发射。
2020-08-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Harnessing Room-Temperature Ferroelectricity in Metal Oxide Monolayers for Advanced Logic Devices
本文预测褶皱MO单层具有面外铁电性和独特价带结构，并通过量子输运模拟证明其FET可突破传统热力学极限、实现低亚阈值摆幅和高开关比。
2024-10-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Topological-Insulator Heterophase Gate Stacks for Transistor Electrostatics
Gwangju Institute of Science and Technology（光州科学技术院）；Ulsan National Institute of Science and Technology（蔚山科学技术院）；Aalto University（阿尔托大学）；VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.（芬兰技术研究中心有限公司）；Sungkyunkwan University（成均馆大学）；Korea Research Institute of Chemical Technology（韩国化学技术研究所）；OtaNano-Nanomicroscopy Center, Aalto University（阿尔托大学奥塔纳米显微镜中心）；Yonsei University（延世大学）；Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；Nanyang Technological University（南洋理工大学）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Seoul National University（首尔国立大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
本文通过将拓扑绝缘体Bi2Se3表面转化为绝缘BiF3来工程化栅极侧屏蔽边界，尽管电容略有降低，但MoS2晶体管实现了近热离子开关和约七倍更低的漏致势垒降低，为晶体管静电控制提供了新设计维度。
2026-10-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
