Tunneltransistorer

Denne artikel beskriver princippet om tunneling af transistorer og deres fordele.

0040-77771 DPS ESC
En verden af ​​altid tændte pc'er, tablets og smartphones blev født takket være en bemærkelsesværdig tendens: den stigende miniaturisering af metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET'er). MOSFET'er, som er de grundlæggende byggesten i de fleste integrerede kredsløb, er skrumpet til en tusindedel af deres størrelse i det sidste halve århundrede, fra snesevis af mikron i 60'erne af det 20. århundrede til kun titusinder af nanometer i dag. Efterhånden som generationer af MOSFET'er bliver mindre og mindre, kører MOSFET-baserede chips hurtigere og er mere strømeffektive end nogensinde før.
Denne tendens har ført til den længste og største serie af sejre i industrihistorien, hvilket giver os adgang til enheder, kapacitet og bekvemmelighed, som tidligere generationer ikke kunne forestille sig. Men denne konstante fremgang er truet, og kernen af ​​problemet ligger i kvantemekanikken. Elektroner har en nervepirrende evne til at trænge igennem energibarrierer – et fænomen kendt som kvantetunneling. Efterhånden som chipproducenter installerer flere og flere transistorer på en chip, bliver transistorerne mindre og mindre, så afstanden mellem de forskellige transistorområder bliver komprimeret. Som et resultat er en elektronisk barriere, der engang var tyk nok til at blokere en elektrisk strøm, nu meget tynd, hvilket tillader elektroner at passere gennem den hurtigt.

Vi har bevæget os væk fra at fortynde gate-oxidet, en vigtig del af en transistor. Dette lag adskiller elektronisk porten, der styrer transistorens tænding og slukning, fra den ledende kanal. Ved at fortynde dette oxidlag kan mere ladning kanaliseres ind i kanalen, hvilket fremskynder strømmen og giver transistoren mulighed for at køre hurtigere. Oxidtykkelsen kan dog ikke være meget mindre end 1 nanometer, hvilket er hvad vi formentlig kan nå i dag. Ud over denne grænse vil der flyde for meget ladning gennem kanalen, når transistoren er i "off"-tilstand, og ideelt set vil der slet ikke flyde nogen ladning. Dette er blot en af ​​flere lækager.
Vi kan ikke forhindre elektrontunnelen i at passere gennem denne tynde barriere, men vi kan få den til at fungere for os. I de seneste år er et nyere transistordesign - tunneling field-effect transistor (TFET'er) - accelereret. I modsætning til MOSFET'er, som styrer strømstrømmen ved at hæve eller sænke energibarrieren, forbliver energibarrieren for en TFET høj. Enheden styrer tænding og sluk ved at ændre sandsynligheden for, at elektroner på den ene side af barrieren vises på den anden side.
Dette funktionsprincip er meget forskelligt fra den måde, traditionelle transistorer fungerer på. Det kan dog være præcis, hvad vi skal gøre, når MOSFET'er holder op med at udvikle sig. Det banede vejen for udviklingen af ​​hurtigere, tættere og mere energieffektive kredsløb for at udvide Moores lov ind i det næste årti.
Det er ikke første gang, at transistorer har ændret form. Oprindeligt brugte halvlederbaserede computere kredsløb lavet af bipolære transistorer. Men blot et par år efter introduktionen af ​​silicium MOSFET'er i 1960 indså ingeniører, at de kunne lave to komplementære kontakter, så de kunne arbejde sammen om at danne komplementære metal-oxid-halvleder-kredsløb (CMOS). I modsætning til bipolær transistorlogik bruger dette kredsløb kun energi, når det er tændt. Siden de første CMOS-baserede integrerede kredsløb dukkede op i begyndelsen af ​​70'erne, har MOSFET'er domineret markedet.
På mange måder er MOSFET'er ikke meget forskellige fra bipolære transistorer. Begge styrer strømmen af ​​elektricitet ved at hæve eller sænke energibarrieren – lidt ligesom at hæve eller sænke en sluse på en flod. I dette tilfælde består "flodvandet" af to typer bærere: en elektron og et hul, hvor sidstnævnte er en positivt ladet enhed, der i det væsentlige mangler en elektron fra den ydre skal af et atom i materialet.
Der er to tilladte energiområder eller bånd for disse bærere. Elektroner, der har nok energi til at flyde frit i materialet, er placeret i ledningsbåndet. Huller flyder i lavenergibånd, kaldet valensbånd, fra et atom til et andet, ligesom en tom parkeringsplads kan blive en fuld parkeringsplads på grund af den konstante strøm af nærliggende biler ind og ud.
Disse bånd er faste, men vi kan ændre energien forbundet med dem ved at tilføje urenheder eller dopingatomer for at gøre energien højere eller lavere, og dermed ændre halvlederens ledningsevne. n-type halvledere doteret med ekstra elektroner leder negativt ladede elektroner; P-type halvledere, der forårsager elektronreduktion gennem doping, leder positivt ladede huller.
Hvis vi kombinerer disse to halvledertyper, får vi et forkert justeret bånd, hvilket skaber en barriere imellem. For at fremstille en MOSFET injicerer vi et materiale mellem to komplementære typer, i npn- eller pnp-konfigurationer. Dette skaber tre områder i midten af ​​transistoren: kilden (hvor ladningen kommer ind i komponenten), kanalen og afløbet (ladningsudgangen).

De to pn-forbindelser på hver transistor giver en elektronisk energibarriere for ladningsflow, og transistoren kan tændes ved at påføre en spænding til porten over kanalen. Påføring af en positiv spænding til n-kanal MOSFET får kanalen til at tiltrække flere elektroner, fordi det reducerer mængden af ​​energi, der kræves for elektroner at bevæge sig mod kanalen. Påføring af en negativ spænding til en p-kanal MOSFET kan have samme effekt på hullerne.
Denne enkle måde at sænke energibarrieren på er den mest udbredte strømstyringsmekanisme i halvlederelektronik. Dioder, lasere, bipolære transistorer, tyristorer og de fleste felteffekttransistorer drager fordel af denne tilgang. Der er dog en fysisk begrænsning for denne tilgang: Transistoren har brug for en vis mængde spænding, før den kan tændes eller slukkes. Dette skyldes, at elektroner og huller altid er i bevægelse på grund af termisk energi, og den mest energiske del af dem flyder over energibarrieren. Ved stuetemperatur, hvis barrieren reduceres med 60 millivolt, øges strømmen, der strømmer gennem barrieren, med en faktor på 10; Hver "decimal" strømændring kræver en ændring på 60 millivolt.

Alle disse strømlækager forekommer under enhedens tærskelspænding. Tærskelspændingen er den spænding, der kræves for at tænde transistoren. Enhedsfysikere omtaler denne barrierereduktionsregion som undertærskelområdet, og en spænding på 60 millivolt pr. decimal betragtes som minimumssvinget for undertærskelværdien. For at holde energiforbruget lavt, bør undertærskeludsvinget holdes så lavt som muligt. Dette reducerer den spænding, der kræves for at tænde enheden, og lækstrømmen, når den er slukket, reduceres.
Undertærskelsvingninger var ikke et stort problem tidligere, da chips havde brug for højere spændinger for at fungere. Men nu begynder undertærskeludsving at forstyrre vores bestræbelser på at reducere energiforbruget. Dette skyldes til dels, at kredsløbsdesignere ønsker at sikre sig, at deres logiske komponenter har en klar skelnen mellem de strømme, der definerer "0" og dem, der definerer "1". Transistorer er typisk designet på en sådan måde, at de kan bære 10,000 gange mere strøm, når de er tændt, end de kan lække, når de er slukkede. Det betyder, at for at tænde en transistor skal der påføres en spænding på mindst 240 millivolt, dvs. 4 decimalstrømme, da der kræves 60 millivolt for hver decimal.
I praksis bruger CMOS-kredsløb typisk en meget højere driftsspænding, tæt på 1 volt. Dette skyldes, at det mest basale logiske kredsløb i CMOS, inverteren, bruger to serietransistorer. En NAND-gate kræver 3 serie transistorer, hvilket betyder, at den kræver en højere spænding end en inverter. Hvis der skal foretages justeringer for at tage højde for procesvariabilitet - hvilket betyder, at der skal indstilles en bredere spændingsmargin for at tage højde for enhed-til-enhed-variabilitet - er spændingen, der ses i dag, tæt på 1 volt for at sikre drift.
Disse spændingskrav, kombineret med lækageproblemer, betyder, at MOSFET-miniaturiseringen er faldende, og der er ingen vej ud. Hvis vi ønsker at reducere spændingen yderligere for at reducere energiforbruget, er der to muligheder (hvoraf ingen er attraktive): vi kan reducere strømmen gennem enheden, hvilket reducerer opstartshastigheden og dermed ofrer ydeevnen; Alternativt kan strømmen holdes høj og samtidig tillade mere strøm at lække ud af enheden på tidspunktet for nedlukning. Det er her TFET kan bruges. I modsætning til i MOSFET'er, hvor den fysiske energibarriere mellem kilden og drænet hæves eller sænkes, bruger vi i TFET en gate til at styre den faktiske elektriske tykkelse af energibarrieren, og dermed sandsynligheden for, at elektroner passerer gennem energibarrieren.
Igen ligger magien ved denne tilgang i pn-knuden - men med nogle drejninger. I en TFET er halvledermaterialet anbragt i konfigurationerne af stift og nip. hvor "i" står for "intrinsic", hvilket betyder, at kanalen har lige så mange elektroner som hullet. Den indre tilstand svarer til den maksimale resistivitet, som en halvleder besidder. Det hæver også energien forbundet med båndene i kanalen, hvilket skaber en tyk energibarriere, som det er usandsynligt, at ladningsbærere i kilden krydser. Både elektroner og huller adlyder kvantemekanikkens love, hvilket betyder, at deres størrelse er tvetydig. Når barrieren er mindre end 10 nanometer tyk, er det usandsynligt (men ikke helt umuligt), at elektroner, der er på den ene side af barrieren, begynder på den anden side.
I TFET øger vi denne mulighed ved at påføre en spænding til transistorens gate. Dette overlapper ledningsbåndet i kilden og valensbåndet i kanalen, hvilket åbner et tunnelvindue. Bemærk, at i en TFET tunnelerer elektroner mellem lednings- og valensbåndene, når de bevæger sig til kanalen. Dette er i skarp kontrast til, hvad der sker i MOSFET'er. I en MOSFET bevæger elektroner eller huller sig primært gennem et eller andet bånd, hele vejen fra kilden gennem kanalen til drænet.
Da tunnelmekanismen ikke styres af strømmen af ​​bærere over energibarrieren, kan det spændingsudsving, der kræves for at starte en TFET, være meget mindre end for en MOSFET. Det er tilstrækkeligt at anvende nok spænding til at lave eller flytte et overlap, der får ledningsbåndet og valensbåndet til at krydse eller ikke krydse. (Se illustration "Sluk og tænd.") )