Tunnelointitransistorit

Tässä artikkelissa kuvataan tunnelointitransistorien periaate ja niiden edut.

0040-77771 DPS ESC
Aina päällä olevien tietokoneiden, tablettien ja älypuhelimien maailma syntyi merkittävän trendin ansiosta: metallioksidi-puolijohde-kenttätransistorien (MOSFET) miniatyrisoituminen. MOSFETit, jotka ovat useimpien integroitujen piirien perusrakennuspalikoita, ovat kutistuneet yhteen tuhannesosaan koostaan ​​viimeisen puolen vuosisadan aikana, 1900-luvun 60-luvun kymmenistä mikroneista vain kymmeniin nanometriin nykyään. Kun MOSFET-sukupolvet pienenevät ja pienentyvät, MOSFET-pohjaiset sirut toimivat nopeammin ja ovat tehokkaampia kuin koskaan ennen.
Tämä suuntaus on johtanut teollisuushistorian pisimpään ja suurimpaan voittosarjaan, mikä on antanut meille pääsyn laitteisiin, kapasiteettiin ja käyttömukavuuteen, jota aikaisemmat sukupolvet eivät voineet kuvitella. Mutta tämä tasainen kehitys on uhattuna, ja ongelman ydin on kvanttimekaniikassa. Elektroneilla on hermoja raastava kyky tunkeutua energiaesteiden läpi – ilmiö, joka tunnetaan nimellä kvanttitunnelointi. Kun siruvalmistajat asentavat yhä enemmän transistoreita sirulle, transistorit pienenevät ja pienentyvät, joten eri transistorien alueiden välinen etäisyys puristuu. Tämän seurauksena elektroninen este, joka oli aikoinaan tarpeeksi paksu estääkseen sähkövirran, on nyt hyvin ohut, jolloin elektronit voivat kulkea sen läpi nopeasti.

Olemme siirtyneet pois hilaoksidin ohentamisesta, joka on tärkeä osa transistoria. Tämä kerros erottaa elektronisesti portin, joka ohjaa transistorin käynnistystä ja sammutusta johtavasta kanavasta. Ohentamalla tätä oksidikerrosta kanavaan voidaan kanavoida enemmän varausta, mikä nopeuttaa virran kulkua ja antaa transistorin toimia nopeammin. Oksidin paksuus ei kuitenkaan voi olla paljon pienempi kuin 1 nanometri, mikä on se, mitä voimme todennäköisesti saavuttaa tänään. Tämän rajan ulkopuolella kanavan läpi virtaa liikaa varausta, kun transistori on "off"-tilassa, ja ihannetapauksessa varausta ei virtaa ollenkaan. Tämä on vain yksi useista vuodoista.
Emme voi estää elektronitunnelia kulkemasta tämän ohuen esteen läpi, mutta voimme saada sen toimimaan puolestamme. Viime vuosina uudempi transistorisuunnittelu – tunnelointikenttätransistorit (TFET) – on nopeutunut. Toisin kuin MOSFETit, jotka ohjaavat virran virtausta nostamalla tai laskemalla energiaestettä, TFET:n energiaeste pysyy korkeana. Laite ohjaa käynnistystä ja sammuttamista muuttamalla todennäköisyyttä, että esteen toisella puolella olevat elektronit ilmestyvät toiselle puolelle.
Tämä toimintaperiaate eroaa suuresti perinteisten transistorien toimintatavoista. Tämä voi kuitenkin olla juuri sitä, mitä meidän on tehtävä, kun MOSFETit lakkaavat kehittymästä. Se tasoitti tietä nopeampien, tiheämpien ja energiatehokkaampien piirien kehittämiselle Mooren lain laajentamiseksi seuraavalle vuosikymmenelle.
Tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun transistorit ovat muuttaneet muotoaan. Alun perin puolijohdepohjaisissa tietokoneissa käytettiin bipolaarisista transistoreista valmistettuja piirejä. Mutta vain muutama vuosi pii-MOSFETin käyttöönoton jälkeen vuonna 1960, insinöörit ymmärsivät, että he pystyivät valmistamaan kaksi toisiaan täydentävää kytkintä, jotta ne voisivat työskennellä yhdessä muodostaen täydentäviä metallioksidi-puolijohdepiirejä (CMOS). Toisin kuin bipolaarinen transistorilogiikka, tämä piiri kuluttaa energiaa vain, kun se on päällä. Siitä lähtien, kun ensimmäiset CMOS-pohjaiset integroidut piirit ilmestyivät 70-luvun alussa, MOSFET-piirit ovat hallinneet markkinoita.
MOSFETit eivät monella tapaa eroa paljon bipolaarisista transistoreista. Molemmat ohjaavat sähkön virtausta nostamalla tai laskemalla energiaestettä – vähän kuin joen sulkuportin nostaminen tai laskeminen. Tässä tapauksessa "jokivesi" koostuu kahden tyyppisestä kantajasta: elektronista ja reiästä, joista jälkimmäinen on positiivisesti varautunut kokonaisuus, josta olennaisesti puuttuu elektroni materiaalissa olevan atomin ulkokuoresta.
Näille kantoaaltoille on kaksi sallittua energia-aluetta tai kaistaa. Elektronit, joilla on tarpeeksi energiaa virtaamaan vapaasti materiaalissa, sijaitsevat johtavuuskaistalla. Reikiä virtaa matalan energian vyöhykkeissä, joita kutsutaan valenssinauhoiksi, atomista toiseen, aivan kuten tyhjästä parkkipaikasta voi tulla täysi parkkipaikka lähellä olevien autojen jatkuvan sisään- ja ulosvirtauksen vuoksi.
Nämä nauhat ovat kiinteitä, mutta voimme muuttaa niihin liittyvää energiaa lisäämällä epäpuhtauksia tai doping-atomeja suuremmaksi tai pienemmäksi, mikä muuttaa puolijohteen johtavuutta. ylimääräisillä elektroneilla seostetut n-tyypin puolijohteet johtavat negatiivisesti varautuneita elektroneja; P-tyypin puolijohteet, jotka aiheuttavat elektronien pelkistyksen dopingin kautta, johtavat positiivisesti varautuneita reikiä.
Jos yhdistämme nämä kaksi puolijohdetyyppiä, saamme väärän kaistan, joka luo esteen väliin. MOSFETin valmistamiseksi ruiskutamme materiaalia kahden toisiaan täydentävän tyypin välillä npn- tai pnp-kokoonpanoissa. Tämä luo kolme aluetta transistorin keskelle: lähde (jossa varaus tulee komponenttiin), kanava ja nielu (latauksen ulostulo).

Jokaisen transistorin kaksi pn-liitosta muodostavat elektronisen energiaesteen latausvirtaukselle, ja transistori voidaan kytkeä päälle kohdistamalla jännite kanavan yläpuolella olevaan hilaan. Positiivisen jännitteen kohdistaminen n-kanavaiseen MOSFETiin saa kanavan houkuttelemaan enemmän elektroneja, koska se vähentää energian määrää, joka tarvitaan elektronien liikkumiseen kohti kanavaa. Negatiivisen jännitteen kohdistaminen p-kanavaiseen MOSFETiin voi vaikuttaa reikiin samalla tavalla.
Tämä yksinkertainen tapa alentaa energiasulkua on puolijohdeelektroniikassa laajimmin käytetty virransäätömekanismi. Diodit, laserit, bipolaariset transistorit, tyristorit ja useimmat kenttätransistorit hyödyntävät tätä lähestymistapaa. Tällä lähestymistavalla on kuitenkin fyysinen rajoitus: transistori tarvitsee tietyn määrän jännitettä ennen kuin se voidaan kytkeä päälle tai pois päältä. Tämä johtuu siitä, että elektronit ja reiät ovat aina liikkeessä lämpöenergian vuoksi, ja energisin osa niistä ylittää energiaesteen. Huonelämpötilassa, jos estettä pienennetään 60 millivoltilla, esteen läpi kulkeva virta kasvaa kertoimella 10; Jokainen "desimaali" virran muutos vaatii 60 millivoltin muutoksen.

Kaikki nämä virtavuodot tapahtuvat laitteen kynnysjännitteen alapuolella. Kynnysjännite on jännite, joka tarvitaan transistorin käynnistämiseen. Laitefyysikot kutsuvat tätä esteen pienennysaluetta kynnysalueen alapuolelle, ja 60 millivoltin jännitettä desimaalia kohden pidetään vähimmäiskynnyksen heilahduksena. Energiankulutuksen pitämiseksi alhaisena, kynnyksen aliheilahdus tulee pitää mahdollisimman alhaisena. Tämä vähentää laitteen käynnistämiseen tarvittavaa jännitettä, ja vuotovirta sammutettaessa pienenee.
Alikynnyksen heilahtelut eivät olleet suuri ongelma aiemmin, kun sirut tarvitsivat korkeampaa jännitettä toimiakseen. Mutta nyt kynnyksen alapuolella olevat heilahtelut alkavat häiritä pyrkimyksiämme vähentää energiankulutusta. Tämä johtuu osittain siitä, että piirisuunnittelijat haluavat varmistaa, että heidän logiikkakomponenttinsa erottavat selkeästi virrat, jotka määrittelevät "0" ja ne, jotka määrittelevät "1". Transistorit on yleensä suunniteltu siten, että ne voivat kuljettaa 10,000 kertaa enemmän virtaa, kun ne ovat päällä, kuin ne voivat vuotaa, kun ne ovat pois päältä. Tämä tarkoittaa, että transistorin käynnistämiseksi siihen on syötettävä vähintään 240 millivoltin jännite eli 4 desimaalista virtaa, koska jokaista desimaalia kohden tarvitaan 60 millivolttia.
Käytännössä CMOS-piirit käyttävät tyypillisesti paljon korkeampaa käyttöjännitettä, lähellä 1 volttia. Tämä johtuu siitä, että CMOS:n peruslogiikkapiiri, invertteri, käyttää kahta sarjatransistoria. NAND-portti vaatii 3 sarjan transistoria, mikä tarkoittaa, että se vaatii suuremman jännitteen kuin invertteri. Jos säätöjä on tehtävä prosessin vaihtelun huomioon ottamiseksi - mikä tarkoittaa, että on asetettava laajempi jännitemarginaali laitteiden välisen vaihtelun huomioon ottamiseksi -, nykyinen jännite on lähellä 1 volttia toiminnan varmistamiseksi.
Nämä jännitevaatimukset yhdistettynä vuotoongelmiin tarkoittavat, että MOSFET-pienentäminen on vähenemässä eikä sieltä ole ulospääsyä. Jos haluamme edelleen alentaa jännitettä energiankulutuksen vähentämiseksi, on kaksi vaihtoehtoa (joista kumpikaan ei ole houkutteleva): voimme vähentää laitteen läpi kulkevaa virtaa, mikä vähentää käynnistysnopeutta ja siten uhraa suorituskykyä; Vaihtoehtoisesti virta voidaan pitää korkeana samalla, kun laitteesta voi vuotaa enemmän virtaa sammutuksen yhteydessä. Tässä voidaan käyttää TFET:iä. Toisin kuin MOSFET:issä, joissa fyysistä energiaestettä lähteen ja viemärin välillä nostetaan tai lasketaan, TFET:ssä käytämme porttia säätelemään energiaesteen todellista sähköistä paksuutta ja siten todennäköisyyttä, että elektronit kulkevat energiaesteen läpi.
Jälleen tämän lähestymistavan taika piilee pn-solmussa – mutta tietyin kääntein. TFET:ssä puolijohdemateriaali on sijoitettu nastan ja nipin konfiguraatioihin. jossa "i" tarkoittaa "sisäistä", mikä tarkoittaa, että kanavalla on yhtä monta elektronia kuin reiässä. Sisäinen tila vastaa puolijohteen suurinta ominaisvastusta. Se myös nostaa kanavan kaistoihin liittyvää energiaa, mikä luo paksun energiaesteen, jota lähteen sisällä olevat varauksenkantajat eivät todennäköisesti ylitä. Sekä elektronit että reiät noudattavat kvanttimekaniikan lakeja, mikä tarkoittaa, että niiden koko on epäselvä. Kun este on alle 10 nanometriä paksu, on epätodennäköistä (mutta ei täysin mahdotonta), että esteen toisella puolella olevat elektronit alkavat toiselta puolelta.
TFET:ssä lisäämme tätä mahdollisuutta kohdistamalla jännite transistorin hilaan. Tämä limittää johtavuuskaistan lähteen sisällä ja valenssikaistan kanavan sisällä avaten tunnelointiikkunan. Huomaa, että TFET:ssä elektronit tunnelevat johtavuus- ja valenssikaistan välillä liikkuessaan kanavalle. Tämä on jyrkässä ristiriidassa MOSFET:ien kanssa. MOSFETissä elektronit tai reiät kulkevat ensisijaisesti yhden tai toisen kaistan kautta aina lähteestä kanavan kautta viemäriin.
Koska tunnelointimekanismia ei ohjaa kantoaaltojen virtaus energiaesteen poikki, TFET:n käynnistämiseen tarvittava jännitteen heilahdus voi olla paljon pienempi kuin MOSFETin. Riittää, että syötetään tarpeeksi jännitettä päällekkäisyyksien tekemiseksi tai siirtämiseksi, mikä saa johtavuuskaistan ja valenssikaistan ristiin tai ei ristiin. (Katso kuva "Sammuta ja päälle.") )