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印度科学家开发出全新二合一器件,具备MOSFET和TFET的双重优势
2017-12-26

[据物理学组织网站20171221日报道晶体管是现代电子器件最基本的构建模块,作为开关,控制着电流流经电路。在过去几十年里,晶体管的尺寸已经缩小了超过1000倍,使笔记本电脑和智能电话等电子设备的速度越来越快、结构越来越紧凑。然而,随着晶体管尺寸的进一步缩小,其消耗和浪费的电能越来越多。以当前最为常见的金属氧化物半导体场效应晶体管为例,随着尺寸的缩小,其开关状态变得越来越模糊,即使在关闭状态也会有漏电流产生,这使得更多的电能被白白浪费掉了。近两年,虽然出现了更为节能的隧道场效应晶体管,但隧道晶体管更适合应用于一些低性能的电子设备,如手表或掌上本电脑。

最近,印度科学理工学院(IISc)的研究人员首次将金属氧化物半导体场效应晶体管和隧道场效应晶体管融合为一个可以按需要在节能和高性能两种模式间进行轻松转换的全新器件。该器件拥有一个特别的金属-半导体结,可对器件进行微调,以实现金属氧化物半导体场效应晶体管和隧道场效应晶体管行为的切换。

研究人员指出,该器件的灵活性非常高,使用相同的器件,你可以选择牺牲一些功耗获得高性能,也可以选择在低功耗的条件下实现最优化的性能。可以把这个器件形象地比作一辆汽车,它可以在塔塔Nano(售价仅2500美元的印度国产汽车)和梅赛德斯奔驰两种模式间随意切换。

世界上第一个晶体管有巴掌那么大,现如今,晶体管的尺寸已经缩小到仅有头发丝的几千分之一大小。晶体管体积缩小所带来的好处是在单位面积上能实现更多的功能集成。这也是为什么当今一个小小的智能电话的功能比早期电脑的功能更加强大的原因。

传统金属氧化物半导体场效应晶体管就像大坝的水闸一样应用在当今几乎所有的电子设备中。金属氧化物半导体场效应晶体管具有一个源极、一个漏极,并通过一个栅极来控制电子在源、漏极之间的流动。当栅极处于关断状态的时候,在源、漏极间会形成一个巨大的势垒阻止电子流动。当施加电压后,栅极开启,势垒降低,电子可以越过势垒在源、漏极间形成电流。栅极的开启电压越小,器件的效率越高性能越好。

然而,科学家们一直以来都由于一个基本的设计缺陷,没能使金属氧化物半导体场效应晶体管开启电压的减小速度跟上其尺寸缩小的步伐。亚阈值摆幅是决定晶体管实现开关状态转换所需最小栅极开启电压的关键因素,它将晶体管开启电压的下限限定在了1伏特的水平。这就意味着,无论金属氧化物半导体场效应晶体管的尺寸有多大,其工作效率都将受到严重的限制。这是一个基本的物理极限,因为能越过栅极势垒的电子个数是要服从玻尔兹曼统计学分布的。

为了克服这一物理极限,科学家们开始尝试用隧道场效应晶体管来替代传统的金属氧化物半导体场效应晶体管。在隧道场效应晶体管中,势垒的高度不再是阻碍电流形成的屏障,电子可以利用量子隧道效应穿过势垒而不用再翻越势垒。隧道场效应晶体管的工作电压很低且非常的节能。但是隧道晶体管的缺点是:晶体管管工作时的输出电流被大大减小了。

此次印度科学理工学院的研究人员首次设计出可在金属氧化物半导体场效应晶体管和隧道场效应晶体管两种模式间切换的混合器件。该器件拥有两个栅极而不像传统晶体管那样只有一个栅极,还拥有特殊的被称为肖特基结的电子势垒。肖特基势垒是由金属和半导体在特定条件下连接在一起而构成的。研究人员采用特定的设计流程来创建肖特基连接,来实现对势垒高度及宽度的独立调节。在此接触工艺中研究人员采用了硫化处理技术。此外,对于栅极材料的沉积采用了电子束蒸发工艺而不是常规的原子层沉积工艺。

全新的双栅晶体管的工作电压远远低于普通金属氧化物半导体场效应晶体管,极大地降低了功耗,有望将器件工作电压减小至0.5伏特以下,此外,它还具有比目前最先进的隧道场效应晶体管更为优越的性能。研究人员强调,双栅晶体管的全新复合设计在晶体管功能上提供了比以前更多的灵活性,可以显著提高电子设备的工作效率。(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)

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