Туннельный полевой транзистор

Туннельный полевой транзистор (TFET) — экспериментальный тип транзистора. Несмотря на то, что его структура очень похожа на полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET ), фундаментальный механизм переключения отличается, что делает это устройство многообещающим кандидатом для маломощной электроники . TFET переключаются путем модуляции квантового туннелирования через барьер вместо модуляции термоэлектронной эмиссии через барьер, как в традиционных MOSFET. Из-за этого TFET не ограничены тепловым Максвелла-Больцмана хвостом носителей , который ограничивает подпороговое колебание тока стока MOSFET примерно до 60 мВ/ декаду тока при комнатной температуре.

Исследования TFET можно проследить до Штетцера, который в 1952 году опубликовал первые исследования транзистора, содержащего основные элементы TFET — закрытый pn-переход. Сообщаемый контроль поверхностной проводимости, однако, не был реализован. связанные с туннелированием. ^[1] О первом TFET было сообщено в 1965 году. ^[2] Йорг Аппенцеллер и его коллеги из IBM первыми продемонстрировали, что возможны колебания тока ниже предела MOSFET в 60 мВ за десятилетие. В 2004 году они сообщили, что создали туннельный транзистор с каналом из углеродных нанотрубок и подпороговым размахом всего 40 мВ за десятилетие. ^[3] Теоретические работы показали, что значительная экономия энергии может быть достигнута путем использования низковольтных TFET вместо MOSFET в логических схемах. ^[4]

В классических МОП-транзисторах значение 60 мВ/декада является фундаментальным ограничением масштабирования мощности. Соотношение между током включения и током отключения (особенно подпороговая утечка — один из основных факторов энергопотребления) определяется соотношением между пороговым напряжением и подпороговым наклоном, например:

n=60\,\,\mathrm {mV/decade} ;\,\,\,V_{\rm {th}}=300\,\,\mathrm {mV} \,\,\rightarrow \,\,I_{\rm {on}}/I_{\rm {off}}=V_{\rm {th}}/n=5\,\,\mathrm {decades} =100\,000

Скорость транзистора пропорциональна току открытия: чем выше ток открытия, тем быстрее транзистор сможет заряжать свое ответвление (последовательную емкостную нагрузку). Таким образом, для заданной скорости транзистора и максимально приемлемой подпороговой утечки наклон подпорогового напряжения определяет определенное минимальное пороговое напряжение. Снижение порогового напряжения является важной частью идеи масштабирования постоянного поля . С 2003 года основные разработчики технологий практически застряли в масштабировании порогового напряжения и, таким образом, также не могли масштабировать напряжение питания (которое по техническим причинам должно быть как минимум в 3 раза больше порогового напряжения для высокопроизводительных устройств). Как следствие, скорость процессора не росла так быстро, как до 2003 года (см. Beyond CMOS ). Появление массового производства устройств TFET с крутизной характеристики намного ниже 60 мВ/десятилетие позволит отрасли продолжить тенденции масштабирования 1990-х годов, когда частота процессора удваивалась каждые 3 года.

Структура

Базовая структура TFET аналогична MOSFET, за исключением того, что выводы истока и стока TFET легированы противоположными типами (см. рисунок). Обычная структура устройства TFET состоит из PIN-перехода ( p-типа , внутреннего , n-типа ), в котором электростатический потенциал внутренней области контролируется выводом затвора .

Работа устройства

Устройство работает путем приложения смещения затвора, так что накопление электронов происходит во внутренней области TFET n-типа. При достаточном смещении затвора туннелирование между зонами (BTBT) происходит, когда зона проводимости собственной области выравнивается с валентной зоной P-области. Электроны из валентной зоны области p-типа туннелируют в зону проводимости собственной области, и ток может течь через устройство. ^[5] Когда смещение затвора уменьшается, полосы смещаются, и ток больше не может течь.

Прототипы устройств

Группа из IBM первой продемонстрировала, что возможны колебания тока ниже предела MOSFET в 60 мВ за десятилетие. В 2004 году они сообщили о туннельном транзисторе с каналом из углеродных нанотрубок и подпороговым колебанием всего 40 мВ за десятилетие. ^[6]

К 2010 году многие TFET были изготовлены из различных материалов. ^[4] но ни один из них еще не смог продемонстрировать крутой подпороговой наклон при токах возбуждения, необходимых для основных приложений. На выставке IEDM' 2016 группа из Лундского университета продемонстрировала вертикальный нанопровод InAs / GaAsSb / GaSb TFET, ^[7] который демонстрирует подпороговое колебание 48 мВ/декаду, ток включения 10,6 мкА/мкм и ток отключения 1 нА/мкм при напряжении питания 0,3 В, что демонстрирует потенциал превосходства Si MOSFET при напряжении питания ниже 0,3 В.

Теория и моделирование

Структуры TFET с двойным затвором из тонкого тела - квантовая яма - квантовая яма были предложены для преодоления некоторых проблем, связанных с латеральной структурой TFET, таких как требование к сверхрезким профилям легирования; однако такие устройства могут страдать от утечки затвора из-за больших вертикальных полей в структуре устройства. ^[8]

Моделирование, проведенное в 2013 году, показало, что TFET с использованием InAs-GaSb в идеальных условиях могут иметь подпороговое колебание 33 мВ/декаду. ^[9]

Использование гетероструктур Ван-дер-Ваальса для TFET было предложено в 2016 году. ^[10]

См. также

Ссылки

^ Штютцер, О.М. (1952). «Соединительные полевые резисторы». Труды ИРЭ . 40 (11): 1377–81. дои : 10.1109/JRPROC.1952.273965 . S2CID 51659160 .
^ Хофштейн, СР; Уорфилд, Г. (1965). «Триод туннельного перехода с изолированным затвором». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 12 (2): 66–76. Бибкод : 1965ITED...12...66H . дои : 10.1109/T-ED.1965.15455 .
^ Аппенцеллер, Дж. (1 января 2004 г.). «Межзонное туннелирование в полевых транзисторах из углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 93 (19): 196805. Бибкод : 2004PhRvL..93s6805A . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.196805 . ПМИД 15600865 . S2CID 17240712 .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Сибо, AC; Чжан, К. (2010). «Низковольтные туннельные транзисторы для выхода за рамки логики КМОП». Труды IEEE . 98 (12): 2095–2110. дои : 10.1109/JPROC.2010.2070470 . S2CID 7847386 .
^ Чжан, Подкладка; Чан, Мансун, ред. (2016). Технология туннельных полевых транзисторов . Чам: Международное издательство Springer. дои : 10.1007/978-3-319-31653-6 . ISBN 978-3-319-31651-2 .
^ Сибо (сентябрь 2013 г.). «Туннельный транзистор» . IEEE-спектр . IEEE.
^ Мемишевич, Э.; Свенссон, Дж.; Хелленбранд, М.; Линд, Э.; Вернерссон, Л.-Э. (2016). «Вертикальный туннельный полевой транзистор InAs/GaAsSb/GaSb на Si с S = 48 мВ/Декада и I _вкл = 10 мкА/мкм для I _выкл = 1 нА/мкм при V _ds = 0,3 В» . Международная конференция IEEE по электронным устройствам (IEDM) , 2016 г. стр. 19.1.1–4. дои : 10.1109/IEDM.2016.7838450 . ISBN 978-1-5090-3902-9 . S2CID 34315968 .
^ Тегерани, Дж.Т.; Агарвал, С.; Яблонович, Э.; Хойт, Дж. Л.; Антониадис, Д.А. (2013). «Влияние энергии квантования и утечки затвора в двухслойных туннельных транзисторах». Письма об электронных устройствах IEEE . 34 (2): 298. Бибкод : 2013IEDL...34..298T . дои : 10.1109/LED.2012.2229458 . S2CID 6216978 .
^ Хуанг, Дэвид; Фанг, Хуэй; Джави, Али (2013). «Моделирование устройства туннельного полевого транзистора (TFET)» (PDF) . Калифорнийский университет.
^ Цао, Цзян; Логотета, Деметрио; Озкая, Сибель; Биль, Бланка; Крести, Алессандро; Пала, Марко Г.; Эссени, Дэвид (2016). «Работа и конструкция туннельных транзисторов Ван-дер-Ваальса: трехмерное исследование квантового транспорта». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 63 (11): 4388–94. Бибкод : 2016ITED...63.4388C . дои : 10.1109/TED.2016.2605144 . S2CID 7929512 .

[1] Штютцер, О.М. (1952). «Соединительные полевые резисторы». Труды ИРЭ . 40 (11): 1377–81. дои : 10.1109/JRPROC.1952.273965 . S2CID 51659160 .

[2] Хофштейн, СР; Уорфилд, Г. (1965). «Триод туннельного перехода с изолированным затвором». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 12 (2): 66–76. Бибкод : 1965ITED...12...66H . дои : 10.1109/T-ED.1965.15455 .

[3] Аппенцеллер, Дж. (1 января 2004 г.). «Межзонное туннелирование в полевых транзисторах из углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 93 (19): 196805. Бибкод : 2004PhRvL..93s6805A . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.196805 . ПМИД 15600865 . S2CID 17240712 .

[seabaugh2010-4] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Сибо, AC; Чжан, К. (2010). «Низковольтные туннельные транзисторы для выхода за рамки логики КМОП». Труды IEEE . 98 (12): 2095–2110. дои : 10.1109/JPROC.2010.2070470 . S2CID 7847386 .

[5] Чжан, Подкладка; Чан, Мансун, ред. (2016). Технология туннельных полевых транзисторов . Чам: Международное издательство Springer. дои : 10.1007/978-3-319-31653-6 . ISBN 978-3-319-31651-2 .

[Seabaugh2013-6] Сибо (сентябрь 2013 г.). «Туннельный транзистор» . IEEE-спектр . IEEE.

[7] Мемишевич, Э.; Свенссон, Дж.; Хелленбранд, М.; Линд, Э.; Вернерссон, Л.-Э. (2016). «Вертикальный туннельный полевой транзистор InAs/GaAsSb/GaSb на Si с S = 48 мВ/Декада и I _вкл = 10 мкА/мкм для I _выкл = 1 нА/мкм при V _ds = 0,3 В» . Международная конференция IEEE по электронным устройствам (IEDM) , 2016 г. стр. 19.1.1–4. дои : 10.1109/IEDM.2016.7838450 . ISBN 978-1-5090-3902-9 . S2CID 34315968 .

[Teherani2013-8] Тегерани, Дж.Т.; Агарвал, С.; Яблонович, Э.; Хойт, Дж. Л.; Антониадис, Д.А. (2013). «Влияние энергии квантования и утечки затвора в двухслойных туннельных транзисторах». Письма об электронных устройствах IEEE . 34 (2): 298. Бибкод : 2013IEDL...34..298T . дои : 10.1109/LED.2012.2229458 . S2CID 6216978 .

[Huang2013-9] Хуанг, Дэвид; Фанг, Хуэй; Джави, Али (2013). «Моделирование устройства туннельного полевого транзистора (TFET)» (PDF) . Калифорнийский университет.

[10] Цао, Цзян; Логотета, Деметрио; Озкая, Сибель; Биль, Бланка; Крести, Алессандро; Пала, Марко Г.; Эссени, Дэвид (2016). «Работа и конструкция туннельных транзисторов Ван-дер-Ваальса: трехмерное исследование квантового транспорта». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 63 (11): 4388–94. Бибкод : 2016ITED...63.4388C . дои : 10.1109/TED.2016.2605144 . S2CID 7929512 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]