Tunnelfälteffekttransistor
Tunnelfälteffekttransistorn (TFET) är en experimentell typ av transistor . Även om dess struktur är mycket lik en metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor ( MOSFET ), skiljer sig den grundläggande omkopplingsmekanismen, vilket gör denna enhet till en lovande kandidat för lågeffektelektronik . TFET:er växlar genom att modulera kvanttunneling genom en barriär istället för att modulera termionisk emission över en barriär som i traditionella MOSFET:er. På grund av detta begränsas TFET:er inte av den termiska Maxwell–Boltzmann-svansen av bärare, vilket begränsar MOSFET-dräneringsström undertröskelsvängning till cirka 60 mV/ decennium av ström vid rumstemperatur.
TFET-studier kan spåras tillbaka till Stuetzer som 1952 publicerade första undersökningar av en transistor som innehåller grundelementen i TFET, en gated pn-övergång. Den rapporterade ytkonduktivitetskontrollen var dock inte relaterad till tunnling. Den första TFET rapporterades 1965. Joerg Appenzeller och hans kollegor på IBM var de första som visade att strömsvängningar under MOSFET:s gräns på 60 mV per decennium var möjliga. 2004 rapporterade de att de hade skapat en tunneltransistor med en kolnanorörskanal och en undertröskelsvängning på bara 40 mV per decennium. Teoretiskt arbete har visat att betydande energibesparingar kan uppnås genom att använda lågspännings-TFET:er i stället för MOSFET:er i logiska kretsar.
I klassiska MOSFET-enheter är 60 mV/decennium en grundläggande gräns för effektskalning. Förhållandet mellan på-ström och frånström (särskilt undertröskelläckaget - en stor bidragande orsak till strömförbrukningen) ges av förhållandet mellan tröskelspänningen och undertröskellutningen, t.ex.
Transistorhastigheten är proportionell mot på-strömmen: Ju högre på-ström, desto snabbare kommer en transistor att kunna ladda sin fan-out (konsekutiv kapacitiv belastning). För en given transistorhastighet och ett maximalt acceptabelt undertröskelläckage definierar således undertröskellutningen en viss minimal tröskelspänning. Att minska tröskelspänningen är en viktig del för idén om konstant fältskalning . Sedan 2003 har de stora teknikutvecklarna nästan fastnat i tröskelspänningsskalning och kunde därmed inte heller skala matningsspänning (som av tekniska skäl måste vara minst 3 gånger tröskelspänningen för högpresterande enheter). Som en konsekvens utvecklades inte processorhastigheten lika snabbt som före 2003 (se Beyond CMOS ). Tillkomsten av en massproducerbar TFET-enhet med en lutning långt under 60 mV/decennium kommer att göra det möjligt för industrin att fortsätta skalningstrenderna från 1990-talet, där processorfrekvensen fördubblades vart tredje år.
Strukturera
Den grundläggande TFET-strukturen liknar en MOSFET förutom att source- och drain-terminalerna på en TFET är dopade av motsatta typer (se figur). En vanlig TFET-enhetsstruktur består av en PIN-övergång ( p-typ , intrinsic , n-typ ), i vilken den elektrostatiska potentialen för det inre området styrs av en grindterminal .
Enhetens funktion
Anordningen manövreras genom att applicera grindförspänning så att elektronackumulering sker i det inre området för en TFET av n-typ. Vid tillräcklig grindförspänning inträffar band-till-band-tunneling (BTBT) när ledningsbandet för den inneboende regionen är i linje med valensbandet för P-regionen. Elektroner från valensbandet i tunneln för p-typregionen in i ledningsbandet för den inre regionen och ström kan flyta över anordningen. När grindförspänningen reduceras blir banden felinriktade och ström kan inte längre flyta.
Prototypenheter
En grupp på IBM var de första som visade att strömsvängningar under MOSFET:s gräns på 60 mV per decennium var möjliga. 2004 rapporterade de om en tunneltransistor med en kolnanorörskanal och en undertröskelsvängning på bara 40 mV per decennium.
År 2010 har många TFET tillverkats i olika materialsystem, men ingen har ännu kunnat demonstrera brant undertröskellutning vid drivströmmar som krävs för vanliga tillämpningar. Under IEDM' 2016 demonstrerade en grupp från Lunds universitet en vertikal nanotråd InAs/GaAsSb/GaSb TFET, som uppvisar en undertröskelsvängning på 48 mV/decennium, en påström på 10,6 μA/μm för frånström på 1 nA/μm vid en matningsspänning på 0,3 V, vilket visar potentialen för att prestera bättre än Si MOSFETs vid en matningsspänning lägre än 0,3 V.
Teori och simuleringar
Dubbelgrinds tunnkropps- kvantbrunn -till-kvantbrunn-TFET-strukturer har föreslagits för att övervinna vissa utmaningar förknippade med den laterala TFET-strukturen, såsom dess krav på ultraskarpa dopningsprofiler; emellertid kan sådana anordningar plågas av grindläckage på grund av stora vertikala fält i anordningens struktur.
Simuleringar 2013 visade att TFET:er som använder InAs - GaSb kan ha en subtröskelsvängning på 33 mV/decennium under ideala förhållanden.
Användningen av van der Waals heterostrukturer för TFET föreslogs 2016.