Tranzistoare de tunel

Acest articol descrie principiul tunelării tranzistorilor și avantajele acestora.

0040-77771 DPS ESC
Lumea computerelor, tabletelor și smartphone-urilor mereu pornite s-a născut datorită unei tendințe remarcabile: miniaturizarea crescândă a tranzistorilor cu efect de câmp (MOSFET) cu semiconductori de metal. MOSFET-urile, care sunt elementele de bază ale majorității circuitelor integrate, s-au micșorat la o miime din dimensiunea lor în ultima jumătate de secol, de la zeci de microni în anii 60 ai secolului XX la doar zeci de nanometri în prezent. Pe măsură ce generațiile de MOSFET devin din ce în ce mai mici, cipurile bazate pe MOSFET funcționează mai repede și sunt mai eficiente din punct de vedere energetic decât oricând.
Această tendință a condus la cea mai lungă și mai mare serie de victorii din istoria industrială, oferindu-ne acces la dispozitive, capacitate și confort de neimaginat pentru generațiile anterioare. Dar acest progres constant este amenințat, iar miezul problemei se află în mecanica cuantică. Electronii au o capacitate stricatoare de a pătrunde în barierele energetice – un fenomen cunoscut sub numele de tunel cuantic. Pe măsură ce producătorii de cipuri instalează din ce în ce mai mulți tranzistori pe un cip, tranzistorii devin din ce în ce mai mici, astfel încât distanța dintre diferitele regiuni ale tranzistorului este comprimată. Ca rezultat, o barieră electronică care a fost odată suficient de groasă pentru a bloca un curent electric este acum foarte subțire, permițând electronilor să treacă prin ea rapid.

Ne-am îndepărtat de subțierea oxidului de poartă, o parte importantă a unui tranzistor. Acest strat separă electronic poarta care controlează pornirea și oprirea tranzistorului de canalul conductor. Prin subțierea acestui strat de oxid, mai multă sarcină poate fi canalizată în canal, accelerând fluxul de curent și permițând tranzistorului să funcționeze mai repede. Cu toate acestea, grosimea oxidului nu poate fi mult mai mică de 1 nanometru, ceea ce probabil putem realiza astăzi. Dincolo de această limită, va exista prea multă sarcină care curge prin canal atunci când tranzistorul este în starea „oprit” și, în mod ideal, nu va exista nicio sarcină care curge deloc. Aceasta este doar una dintre mai multe scurgeri.
Nu putem opri tunelul de electroni să treacă prin această barieră subțire, dar îl putem face să funcționeze pentru noi. În ultimii ani, un design mai nou de tranzistori - tranzistoarele cu efect de câmp de tunel (TFET) - a accelerat. Spre deosebire de MOSFET-urile, care controlează fluxul de curent prin ridicarea sau coborârea barierei energetice, bariera energetică a unui TFET rămâne ridicată. Dispozitivul controlează pornirea și oprirea schimbând probabilitatea ca electronii de pe o parte a barierei să apară pe cealaltă parte.
Acest principiu de funcționare este foarte diferit de modul în care funcționează tranzistoarele tradiționale. Cu toate acestea, acesta poate fi exact ceea ce trebuie să facem atunci când MOSFET-urile încetează să evolueze. A deschis calea pentru dezvoltarea de circuite mai rapide, mai dense și mai eficiente din punct de vedere energetic, pentru a extinde Legea lui Moore în următorul deceniu.
Nu este prima dată când tranzistoarele își schimbă forma. Inițial, calculatoarele bazate pe semiconductori foloseau circuite realizate din tranzistoare bipolare. Dar la doar câțiva ani după introducerea MOSFET-urilor de siliciu în 1960, inginerii și-au dat seama că pot realiza două comutatoare complementare, astfel încât să poată lucra împreună pentru a forma circuite complementare de metal-oxid-semiconductor (CMOS). Spre deosebire de logica tranzistorului bipolar, acest circuit consumă energie doar atunci când este pornit. De când primele circuite integrate bazate pe CMOS au apărut la începutul anilor '70, MOSFET-urile au dominat piața.
În multe privințe, MOSFET-urile nu sunt foarte diferite de tranzistoarele bipolare. Ambele controlează fluxul de electricitate ridicând sau coborând bariera energetică – un pic ca ridicarea sau coborârea unei ecluze pe un râu. În acest caz, „apa râului” este alcătuită din două tipuri de purtători: un electron și o gaură, acesta din urmă fiind o entitate încărcată pozitiv căreia îi lipsește, în esență, un electron din învelișul exterior al unui atom din material.
Există două intervale de energie permise, sau benzi, pentru acești purtători. Electronii care au suficientă energie pentru a curge liber în material sunt localizați în banda de conducție. Găurile curg în benzi cu energie scăzută, numite benzi de valență, de la un atom la altul, la fel ca o parcare goală poate deveni o parcare plină datorită fluxului constant al mașinilor din apropiere înăuntru și ieșire.
Aceste benzi sunt fixe, dar putem schimba energia asociată acestora prin adăugarea de impurități sau atomi de dopare pentru a face energia mai mare sau mai mică, modificând astfel conductivitatea semiconductorului. Semiconductori de tip n dopați cu electroni suplimentari conduc electronii încărcați negativ; Semiconductori de tip P care provoacă reducerea electronilor prin dopaj conduc găuri încărcate pozitiv.
Dacă combinăm aceste două tipuri de semiconductori, obținem o bandă nealiniată, creând o barieră între ele. Pentru a fabrica un MOSFET, injectăm un material între două tipuri complementare, în configurații npn sau pnp. Acest lucru creează trei regiuni în mijlocul tranzistorului: sursa (unde sarcina intră în componentă), canalul și scurgerea (ieșirea încărcării).

Cele două joncțiuni pn ale fiecărui tranzistor asigură o barieră electronică de energie pentru fluxul de încărcare, iar tranzistorul poate fi pornit prin aplicarea unei tensiuni la poarta de deasupra canalului. Aplicarea unei tensiuni pozitive MOSFET-ului cu canal n face ca canalul să atragă mai mulți electroni, deoarece reduce cantitatea de energie necesară pentru ca electronii să se deplaseze către canal. Aplicarea unei tensiuni negative la un MOSFET cu canal p poate avea același efect asupra găurilor.
Această modalitate simplă de a coborî bariera energetică este cel mai utilizat mecanism de control al curentului în electronica semiconductoare. Diodele, laserele, tranzistoarele bipolare, tiristoarele și majoritatea tranzistorilor cu efect de câmp profită de această abordare. Cu toate acestea, există o limitare fizică a acestei abordări: tranzistorul are nevoie de o anumită cantitate de tensiune înainte de a putea fi pornit sau oprit. Acest lucru se datorează faptului că electronii și găurile sunt mereu în mișcare din cauza energiei termice, iar cea mai energetică parte a acestora depășește bariera energetică. La temperatura camerei, dacă bariera este redusă cu 60 milivolți, curentul care trece prin barieră crește cu un factor de 10; Fiecare modificare a curentului „zecimal” necesită o schimbare de 60 milivolti.

Toate aceste scurgeri de curent apar sub tensiunea de prag a dispozitivului. Tensiunea de prag este tensiunea necesară pentru a porni tranzistorul. Fizicienii dispozitivelor se referă la această regiune de reducere a barierei ca fiind regiunea subprag, iar o tensiune de 60 de milivolți pe zecimală este considerată variația minimă a subpragului. Pentru a menține consumul de energie scăzut, variația subpragului trebuie menținută cât mai scăzută posibil. Acest lucru reduce tensiunea necesară pentru a porni dispozitivul, iar curentul de scurgere atunci când este oprit este redus.
Variațiile sub prag nu au fost o problemă mare în trecut, când cipurile aveau nevoie de tensiuni mai mari pentru a funcționa. Dar acum, variațiile subpragului încep să interfereze cu eforturile noastre de a reduce consumul de energie. Acest lucru se datorează parțial faptului că proiectanții de circuite doresc să se asigure că componentele lor logice au o distincție clară între curenții care definesc „0” și cei care definesc „1”. Tranzistoarele sunt de obicei proiectate în așa fel încât să poată transporta de 10,{3}} ori mai mult curent atunci când sunt pornite decât pot scurge când sunt oprite. Aceasta înseamnă că pentru a porni un tranzistor, trebuie să i se aplice o tensiune de cel puțin 240 de milivolți, adică 4 curenți zecimali, deoarece sunt necesari 60 de milivolți pentru fiecare zecimală.
În practică, circuitele CMOS utilizează de obicei o tensiune de operare mult mai mare, aproape de 1 volt. Acest lucru se datorează faptului că cel mai elementar circuit logic din CMOS, invertorul, folosește două tranzistoare în serie. O poartă NAND necesită 3 tranzistoare în serie, ceea ce înseamnă că necesită o tensiune mai mare decât un invertor. Dacă trebuie făcute ajustări pentru a ține seama de variabilitatea procesului - ceea ce înseamnă că trebuie setată o marjă de tensiune mai mare pentru a ține cont de variabilitatea de la dispozitiv la dispozitiv - tensiunea văzută astăzi este aproape de 1 volt pentru a asigura funcționarea.
Aceste cerințe de tensiune, combinate cu problemele de scurgere, înseamnă că miniaturizarea MOSFET este în scădere și nu există nicio ieșire. Dacă vrem să reducem și mai mult tensiunea pentru a reduce consumul de energie, există două opțiuni (niciuna dintre ele nu este atractivă): putem reduce curentul prin dispozitiv, ceea ce reduce viteza de pornire și astfel sacrifică performanța; Alternativ, curentul poate fi menținut ridicat, permițând în același timp să se scurgă mai mult curent din dispozitiv în momentul opririi. Aici poate fi folosit TFET. Spre deosebire de MOSFET-uri, unde bariera energetică fizică dintre sursă și scurgere este ridicată sau coborâtă, în TFET, folosim o poartă pentru a controla grosimea electrică reală a barierei energetice și, prin urmare, probabilitatea ca electronii să treacă prin bariera energetică.
Din nou, magia acestei abordări constă în nodul pn – dar cu unele răsturnări. Într-un TFET, materialul semiconductor este găzduit în configurațiile pin și nip. unde „i” înseamnă „intrinsec”, ceea ce înseamnă că canalul are la fel de mulți electroni ca și gaura. Starea intrinsecă corespunde rezistivității maxime pe care o posedă un semiconductor. De asemenea, crește energia asociată cu benzile din canal, creând o barieră energetică groasă pe care purtătorii de sarcină din sursă este puțin probabil să o traverseze. Atât electronii, cât și găurile respectă legile mecanicii cuantice, ceea ce înseamnă că dimensiunea lor este ambiguă. Când bariera are o grosime mai mică de 10 nanometri, este puțin probabil (dar nu complet imposibil) ca electronii care se află pe o parte a barierei să înceapă pe cealaltă parte.
În TFET, creștem această posibilitate prin aplicarea unei tensiuni la poarta tranzistorului. Aceasta suprapune banda de conducție din sursă și banda de valență din canal, deschizând o fereastră de tunel. Rețineți că într-un TFET, electronii fac un tunel între benzile de conducere și de valență pe măsură ce se deplasează către canal. Acest lucru este în contrast puternic cu ceea ce se întâmplă în MOSFET-uri. Într-un MOSFET, electronii sau găurile călătoresc în primul rând printr-o bandă sau alta, de la sursă prin canal până la dren.
Deoarece mecanismul de tunel nu este controlat de fluxul de purtători peste bariera energetică, variația de tensiune necesară pentru a porni un TFET poate fi mult mai mică decât cea a unui MOSFET. Este suficient să aplicați suficientă tensiune pentru a face sau a muta o suprapunere care face ca banda de conducție și banda de valență să se traverseze sau să nu se traverseze. (A se vedea ilustrația „Oprire și pornire”).