Туннелинг Трансисторс

Овај чланак описује принцип тунелирања транзистора и њихове предности.

0040-77771 ДПС ЕСЦ
Свет увек укључених рачунара, таблета и паметних телефона рођен је захваљујући изузетном тренду: све већој минијатуризацији метал-оксид-полупроводничких транзистора са ефектом поља (МОСФЕТ). МОСФЕТ-ови, који су основни градивни блокови већине интегрисаних кола, смањили су се на хиљадити део своје величине у последњих пола века, са десетина микрона у 60-им годинама 20. века на само десетине нанометара данас. Како генерације МОСФЕТ-а постају све мање и мање, чипови засновани на МОСФЕТ-у раде брже и енергетски су ефикаснији него икада раније.
Овај тренд је довео до најдуже и највеће серије победа у историји индустрије, дајући нам приступ уређајима, капацитетима и погодностима незамисливим претходним генерацијама. Али овај стални напредак је угрожен, а срце проблема лежи у квантној механици. Електрони имају способност да разбијају нерве да продиру кроз енергетске баријере - феномен познат као квантно тунелирање. Како произвођачи чипова инсталирају све више и више транзистора на чип, транзистори постају све мањи и мањи, тако да се растојање између различитих транзисторских региона смањује. Као резултат тога, електронска баријера која је некада била довољно дебела да блокира електричну струју сада је веома танка, омогућавајући електронима да брзо пролазе кроз њу.

Удаљили смо се од разређивања оксида капије, важног дела транзистора. Овај слој електронски одваја капију која контролише укључивање и искључивање транзистора од проводног канала. Разређивањем овог оксидног слоја, више набоја може бити каналисано у канал, убрзавајући ток струје и омогућавајући транзистору да ради брже. Међутим, дебљина оксида не може бити много мања од 1 нанометра, што је оно што данас вероватно можемо постићи. Изнад ове границе, биће превише наелектрисања које ће тећи кроз канал када је транзистор у "искљученом" стању, а идеално би било да наелектрисање уопште неће тећи. Ово је само једно од неколико цурења.
Не можемо спречити да електронски тунел прође кроз ову танку баријеру, али можемо учинити да ради за нас. Последњих година, новији дизајн транзистора – тунелски транзистори са ефектом поља (ТФЕТ) – је убрзан. За разлику од МОСФЕТ-а, који контролишу ток струје подизањем или спуштањем енергетске баријере, енергетска баријера ТФЕТ-а остаје висока. Уређај контролише укључивање и искључивање тако што мења вероватноћу да ће се електрони на једној страни баријере појавити на другој страни.
Овај принцип рада се веома разликује од начина рада традиционалних транзистори. Међутим, то је можда управо оно што треба да урадимо када МОСФЕТ-ови престану да се развијају. То је утрло пут за развој бржих, гушћих и енергетски ефикаснијих кола за проширење Муровог закона у наредну деценију.
Ово није први пут да транзистори мењају облик. Првобитно су рачунари засновани на полупроводницима користили кола направљена од биполарних транзистора. Али само неколико година након увођења силицијумских МОСФЕТ-а 1960. године, инжењери су схватили да могу да направе два комплементарна прекидача како би могли да раде заједно да формирају комплементарна кола метал-оксид-полупроводник (ЦМОС). За разлику од биполарне транзисторске логике, ово коло троши енергију само када је укључено. Откако су се прва интегрисана кола заснована на ЦМОС-у појавила раних 70-их, МОСФЕТ-ови су доминирали тржиштем.
На много начина, МОСФЕТ се не разликују много од биполарних транзистора. И једни и други контролишу проток електричне енергије подизањем или спуштањем енергетске баријере – помало попут подизања или спуштања отвора на реци. У овом случају, „речна вода“ се састоји од две врсте носача: електрона и рупе, при чему је ова друга позитивно наелектрисан ентитет коме у суштини недостаје електрон из спољашње љуске атома у материјалу.
Постоје два дозвољена опсега енергије, или опсега, за ове носиоце. Електрони који имају довољно енергије да слободно теку у материјалу налазе се у проводном појасу. Рупе теку у нискоенергетским опсезима, званим валентним појасевима, од једног атома до другог, слично као што празан паркинг може постати пун паркинг због константног протока оближњих аутомобила унутра и ван.
Ове траке су фиксне, али можемо променити енергију повезану са њима додавањем нечистоћа или атома допинга да би енергија била већа или нижа, мењајући тако проводљивост полупроводника. полупроводници н-типа допирани додатним електронима проводе негативно наелектрисане електроне; Полупроводници типа П који узрокују редукцију електрона допингом проводе позитивно наелектрисане рупе.
Ако комбинујемо ова два типа полупроводника, добићемо неусклађену траку, стварајући баријеру између. Да бисмо произвели МОСФЕТ, убризгавамо материјал између два комплементарна типа, у нпн или пнп конфигурацијама. Ово ствара три региона у средини транзистора: извор (где наелектрисање улази у компоненту), канал и одвод (излаз пуњења).

Два пн споја сваког транзистора обезбеђују електронску енергетску баријеру за проток пуњења, а транзистор се може укључити применом напона на капију изнад канала. Примена позитивног напона на н-канални МОСФЕТ доводи до тога да канал привлачи више електрона јер смањује количину енергије која је потребна да се електрони крећу ка каналу. Примена негативног напона на п-канални МОСФЕТ може имати исти ефекат на рупе.
Овај једноставан начин за снижавање енергетске баријере је најчешће коришћени механизам за контролу струје у полупроводничкој електроници. Диоде, ласери, биполарни транзистори, тиристори и већина транзистора са ефектом поља користе предност овог приступа. Међутим, постоји физичко ограничење за овај приступ: транзистору је потребна одређена количина напона пре него што се може укључити или искључити. То је зато што су електрони и рупе увек у покрету због топлотне енергије, а њихов најенергетнији део превазилази енергетску баријеру. На собној температури, ако се баријера смањи за 60 миливолти, струја која тече кроз баријеру се повећава за фактор 10; Свака „децимална“ промена струје захтева промену од 60 миливолта.

Сва ова цурења струје се јављају испод граничног напона уређаја. Гранични напон је напон потребан за укључивање транзистора. Физичари уређаја овај регион смањења баријере називају подручјем испод прага, а напон од 60 миливолти по децимали се сматра минималним замахом испод прага. Да би потрошња енергије била ниска, колебање испод прага треба да буде што је могуће ниже. Ово смањује напон потребан за укључивање уређаја, а струја цурења када се искључи се смањује.
Окрети испод прага нису били велики проблем у прошлости, када су чиповима били потребни виши напони за рад. Али сада, промене испод прага почињу да ометају наше напоре да смањимо потрошњу енергије. Ово је делимично због чињенице да дизајнери кола желе да буду сигурни да њихове логичке компоненте имају јасну разлику између струја које дефинишу „0“ и оних које дефинишу „1“. Транзистори су обично дизајнирани на такав начин да могу да носе 10,000 пута већу струју када су укључени него што могу да процуре када су искључени. То значи да је за укључивање транзистора на њега потребно применити напон од најмање 240 миливолти, односно 4 децималне струје, пошто је за сваку децималу потребно 60 миливолти.
У пракси, ЦМОС кола обично користе много већи радни напон, близу 1 волта. То је зато што најосновније логичко коло у ЦМОС-у, претварач, користи два серијска транзистора. НАНД капија захтева 3 серије транзистора, што значи да им је потребан већи напон од инвертера. Ако треба извршити прилагођавања како би се узела у обзир варијабилност процеса – што значи да је потребно подесити ширу маргину напона да би се узела у обзир варијабилност од уређаја до уређаја – напон који се данас види је близу 1 волта да би се осигурао рад.
Ови захтеви за напоном, у комбинацији са проблемима са цурењем, значе да минијатуризација МОСФЕТ-а опада и да нема излаза. Ако желимо додатно да смањимо напон да бисмо смањили потрошњу енергије, постоје две опције (ниједна од њих није привлачна): можемо смањити струју кроз уређај, што смањује брзину покретања и тиме жртвује перформансе; Алтернативно, струја се може одржавати високом док се дозволи да више струје исцури из уређаја у тренутку искључивања. Овде се може користити ТФЕТ. За разлику од МОСФЕТ-а, где је физичка енергетска баријера између извора и одвода подигнута или спуштена, у ТФЕТ-у користимо капију да контролишемо стварну електричну дебљину енергетске баријере, а тиме и вероватноћу проласка електрона кроз енергетску баријеру.
Опет, магија овог приступа лежи у пн чвору – али са неким обртима. У ТФЕТ-у, полупроводнички материјал је смештен у конфигурацијама пин и нип. где "и" значи "интринзичан", што значи да канал има онолико електрона колико и рупа. Интринзично стање одговара максималној отпорности коју поседује полупроводник. Такође подиже енергију повезану са тракама унутар канала, стварајући дебелу енергетску баријеру коју носиоци наелектрисања унутар извора вероватно неће прећи. И електрони и рупе поштују законе квантне механике, што значи да је њихова величина двосмислена. Када је баријера мања од 10 нанометара дебљине, мало је вероватно (али не и потпуно немогуће) да електрони који се налазе на једној страни баријере почну са друге стране.
У ТФЕТ-у ову могућност повећавамо применом напона на капију транзистора. Ово преклапа проводни појас унутар извора и валентни појас унутар канала, отварајући тунелски прозор. Имајте на уму да у ТФЕТ-у електрони тунелирају између проводног и валентног појаса док се крећу ка каналу. Ово је у потпуној супротности са оним што се дешава у МОСФЕТ-овима. У МОСФЕТ-у, електрони или рупе путују првенствено кроз једну или другу траку, све од извора кроз канал до одвода.
Пошто механизам за тунелирање није контролисан протоком носача преко енергетске баријере, промена напона потребна за покретање ТФЕТ-а може бити много мања него код МОСФЕТ-а. Довољно је применити довољан напон да се направи или помери преклапање које чини да се проводни појас и валентни појас укрсте или не укрсте. (Погледајте илустрацију „Искључивање и укључивање.“) )