Tünel Açma Transistörleri

Bu makalede tünel açma transistörlerinin prensibi ve avantajları açıklanmaktadır.

0040-77771 DPS ESC
Her zaman açık olan PC'lerin, tabletlerin ve akıllı telefonların dünyası, dikkate değer bir trend sayesinde doğdu: metal oksit yarı iletken alan etkili transistörlerin (MOSFET'ler) giderek minyatürleştirilmesi. Çoğu entegre devrenin temel yapı taşı olan MOSFET'ler, son yarım yüzyılda boyutlarının binde biri kadar küçülmüş, 20. yüzyılın 60'lı yıllarında onlarca mikrondan bugün yalnızca onlarca nanometreye inmiştir. MOSFET nesilleri giderek küçüldükçe, MOSFET tabanlı yongalar daha hızlı çalışıyor ve her zamankinden daha fazla güç verimli hale geliyor.
Bu trend, endüstri tarihindeki en uzun ve en büyük zafer serisine yol açarak bize önceki nesillerin hayal bile edemeyeceği cihazlara, kapasiteye ve rahatlığa erişmemizi sağladı. Ancak bu istikrarlı ilerleme tehdit altındadır ve sorunun özü kuantum mekaniğinde yatmaktadır. Elektronların enerji bariyerlerini aşma konusunda sinir bozucu bir yeteneği var; bu olay kuantum tünelleme olarak biliniyor. Çip üreticileri bir çip üzerine giderek daha fazla transistör yerleştirdikçe, transistörler gittikçe küçülür, dolayısıyla farklı transistör bölgeleri arasındaki mesafe sıkıştırılır. Sonuç olarak, bir zamanlar elektrik akımını engelleyecek kadar kalın olan elektronik bariyer artık çok ince ve elektronların içinden hızla geçmesine olanak tanıyor.

Bir transistörün önemli bir parçası olan kapı oksidini inceltmek yerine uzaklaştık. Bu katman, transistörün açılıp kapanmasını kontrol eden kapıyı iletken kanaldan elektronik olarak ayırır. Bu oksit tabakasının inceltilmesiyle kanala daha fazla yük aktarılabilir, bu da akımın akışını hızlandırır ve transistörün daha hızlı çalışmasına olanak tanır. Ancak oksit kalınlığı 1 nanometreden çok daha küçük olamaz ki bugün muhtemelen bunu başarabiliriz. Bu sınırın ötesinde, transistör "kapalı" durumdayken kanaldan çok fazla yük akışı olacaktır ve ideal olarak hiçbir yük akışı olmayacaktır. Bu birkaç sızıntıdan sadece biri.
Elektron tünelinin bu ince bariyerden geçmesini engelleyemeyiz ama bizim için çalışmasını sağlayabiliriz. Son yıllarda, daha yeni bir transistör tasarımı (tünelleme alan etkili transistörler (TFET'ler)) hız kazandı. Enerji bariyerini yükselterek veya azaltarak akım akışını kontrol eden MOSFET'lerin aksine, TFET'in enerji bariyeri yüksek kalır. Cihaz, bariyerin bir tarafındaki elektronların diğer tarafta görünme olasılığını değiştirerek açılıp kapanmayı kontrol eder.
Bu çalışma prensibi geleneksel transistörlerin çalışma şeklinden çok farklıdır. Ancak MOSFET'lerin gelişimi durduğunda yapmamız gereken şey tam da bu olabilir. Moore Yasasını gelecek on yıla yaymak için daha hızlı, daha yoğun ve enerji açısından daha verimli devrelerin geliştirilmesinin yolunu açtı.
Bu, transistörlerin şeklinin değiştiği ilk sefer değil. Başlangıçta yarı iletken tabanlı bilgisayarlar bipolar transistörlerden yapılmış devreler kullanıyordu. Ancak 1960 yılında silikon MOSFET'lerin piyasaya sürülmesinden yalnızca birkaç yıl sonra mühendisler, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) devreleri oluşturmak üzere birlikte çalışabilmek için iki tamamlayıcı anahtar yapabileceklerini fark ettiler. Bipolar transistör mantığından farklı olarak bu devre yalnızca açıldığında enerji tüketir. İlk CMOS tabanlı entegre devrelerin 70'li yılların başında ortaya çıkmasından bu yana MOSFET'ler pazara hakim oldu.
MOSFET'ler birçok yönden bipolar transistörlerden pek farklı değildir. Her ikisi de enerji bariyerini yükselterek veya alçaltarak elektrik akışını kontrol ediyor; tıpkı nehirdeki savak kapısının yükseltilmesi veya indirilmesi gibi. Bu durumda, "nehir suyu" iki tür taşıyıcıdan oluşur: bir elektron ve bir delik; ikincisi, malzemedeki bir atomun dış kabuğundan esasen yoksun olan pozitif yüklü bir varlıktır.
Bu taşıyıcılar için izin verilen iki enerji aralığı veya bandı vardır. Malzeme içerisinde serbestçe akmaya yetecek enerjiye sahip olan elektronlar iletim bandında bulunur. Delikler, değerlik bantları adı verilen düşük enerji bantlarında bir atomdan diğerine akar; tıpkı boş bir park yerinin, yakındaki arabaların sürekli içeri ve dışarı akışı nedeniyle dolu bir park yeri haline gelebilmesi gibi.
Bu bantlar sabittir, ancak enerjiyi daha yüksek veya daha düşük hale getirmek için safsızlıklar ekleyerek veya atomları katkılayarak onlarla ilişkili enerjiyi değiştirebiliriz, böylece yarı iletkenin iletkenliğini değiştirebiliriz. Ekstra elektronlarla katkılanmış n-tipi yarı iletkenler negatif yüklü elektronları iletir; Katkılama yoluyla elektron azalmasına neden olan P tipi yarı iletkenler pozitif yüklü delikler açar.
Bu iki yarı iletken tipini birleştirirsek, yanlış hizalanmış bir bant elde ederiz, bu da arada bir bariyer oluşturur. Bir MOSFET üretmek için, iki tamamlayıcı tip arasına, npn veya pnp konfigürasyonlarında bir malzeme enjekte ederiz. Bu, transistörün ortasında üç bölge oluşturur: kaynak (yükün bileşene girdiği yer), kanal ve drenaj (yük çıkışı).

Her transistörün iki pn bağlantısı, yük akışı için bir elektronik enerji bariyeri sağlar ve transistör, kanalın üzerindeki kapıya bir voltaj uygulanarak açılabilir. N-kanallı MOSFET'e pozitif voltaj uygulanması, elektronların kanala doğru hareket etmesi için gereken enerji miktarını azalttığı için kanalın daha fazla elektron çekmesine neden olur. Bir p-kanalı MOSFET'e negatif voltaj uygulamak delikler üzerinde aynı etkiye sahip olabilir.
Enerji bariyerini düşürmenin bu basit yolu, yarı iletken elektroniklerde en yaygın kullanılan akım kontrol mekanizmasıdır. Diyotlar, lazerler, bipolar transistörler, tristörler ve alan etkili transistörlerin çoğu bu yaklaşımın avantajlarından yararlanır. Ancak bu yaklaşımın fiziksel bir sınırlaması vardır: Transistörün açılıp kapatılabilmesi için belirli bir miktarda voltaja ihtiyacı vardır. Bunun nedeni, elektronların ve deliklerin termal enerji nedeniyle sürekli hareket halinde olmaları ve bunların en enerjik kısmının enerji bariyerini aşmasıdır. Oda sıcaklığında bariyer 60 milivolt azaltılırsa bariyerden geçen akım 10 kat artar; Her "ondalık" akım değişikliği 60 milivoltluk bir değişiklik gerektirir.

Bu akım kaçaklarının tümü cihazın eşik voltajının altında meydana gelir. Eşik voltajı, transistörü açmak için gereken voltajdır. Cihaz fizikçileri bu bariyer azaltma bölgesini eşik altı bölge olarak adlandırıyor ve ondalık sayı başına 60 milivoltluk bir voltaj, minimum eşik altı salınım olarak kabul ediliyor. Enerji tüketimini düşük tutmak için eşik altı salınım mümkün olduğu kadar düşük tutulmalıdır. Bu, cihazı açmak için gereken voltajı azaltır ve kapatıldığında kaçak akım azalır.
Çiplerin çalışması için daha yüksek voltajlara ihtiyaç duyulduğu geçmişte eşik altı salınımlar büyük bir sorun değildi. Ancak artık eşik altı dalgalanmalar enerji tüketimini azaltma çabalarımızı engellemeye başlıyor. Bunun nedeni kısmen devre tasarımcılarının mantık bileşenlerinin "0" tanımlayan akımlar ile "1"i tanımlayan akımlar arasında net bir ayrım olduğundan emin olmak istemeleridir. Transistörler genellikle açık olduklarında, kapalı olduklarında sızıntı yapabileceklerinden 10,000 kat daha fazla akım taşıyabilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu, bir transistörü açmak için ona en az 240 milivoltluk bir voltajın, yani her ondalık sayı için 60 milivolt gerektiğinden 4 ondalık akımın uygulanması gerektiği anlamına gelir.
Uygulamada CMOS devreleri genellikle 1 volta yakın çok daha yüksek bir çalışma voltajı kullanır. Bunun nedeni CMOS'taki en temel mantık devresi olan invertörün iki seri transistör kullanmasıdır. Bir NAND geçidi 3 seri transistör gerektirir; bu, bir invertörden daha yüksek bir voltaj gerektirdiği anlamına gelir. Proses değişkenliğini hesaba katacak ayarlamalar yapılacaksa (bu, cihazdan cihaza değişkenliği hesaba katmak için daha geniş bir voltaj marjının ayarlanması gerektiği anlamına gelir), bugün görülen voltaj, çalışmayı sağlamak için 1 volt'a yakındır.
Bu voltaj gereksinimleri, sızıntı sorunlarıyla birleştiğinde MOSFET minyatürleşmesinin azaldığı ve çıkış yolu olmadığı anlamına geliyor. Enerji tüketimini azaltmak için voltajı daha da azaltmak istiyorsak iki seçenek vardır (hiçbiri cazip değildir): cihazdan geçen akımı azaltabiliriz, bu da başlatma hızını azaltır ve dolayısıyla performanstan ödün verir; Alternatif olarak, kapatma sırasında cihazdan daha fazla akımın sızmasına izin verilirken akım yüksek tutulabilir. TFET'in kullanılabileceği yer burasıdır. Kaynak ile drenaj arasındaki fiziksel enerji bariyerinin yükseltildiği veya alçaltıldığı MOSFET'lerden farklı olarak TFET'te, enerji bariyerinin gerçek elektriksel kalınlığını ve dolayısıyla elektronların enerji bariyerinden geçme olasılığını kontrol etmek için bir kapı kullanırız.
Tekrar ediyorum, bu yaklaşımın büyüsü pn düğümünde yatıyor – ancak bazı değişiklikler de var. Bir TFET'te yarı iletken malzeme, pim ve kıstırma konfigürasyonlarında muhafaza edilir. burada "i", "içsel" anlamına gelir; bu, kanalın delik sayısı kadar elektrona sahip olduğu anlamına gelir. İçsel durum, bir yarı iletkenin sahip olduğu maksimum dirence karşılık gelir. Aynı zamanda kanal içindeki bantlarla ilişkili enerjiyi de yükseltir ve kaynak içindeki yük taşıyıcılarının geçmesi muhtemel olmayan kalın bir enerji bariyeri oluşturur. Hem elektronlar hem de delikler kuantum mekaniği yasalarına uyar, bu da boyutlarının belirsiz olduğu anlamına gelir. Bariyerin kalınlığı 10 nanometreden az olduğunda, bariyerin bir tarafında bulunan elektronların diğer tarafta başlaması pek olası değildir (ancak tamamen imkansız değildir).
TFET'te transistörün kapısına voltaj uygulayarak bu olasılığı arttırıyoruz. Bu, kaynak içindeki iletim bandı ve kanal içindeki valans bandının üzerine binerek bir tünel penceresi açar. Bir TFET'te elektronların kanala doğru hareket ederken iletim ve değerlik bantları arasında tünel oluşturduğunu unutmayın. Bu, MOSFET'lerde olanlarla tam bir tezat oluşturuyor. Bir MOSFET'te elektronlar veya delikler, kaynaktan kanala ve drenaja kadar esas olarak bir bant veya diğerinden geçer.
Tünel açma mekanizması, enerji bariyeri boyunca taşıyıcıların akışı tarafından kontrol edilmediğinden, bir TFET'i başlatmak için gereken voltaj salınımı, bir MOSFET'inkinden çok daha küçük olabilir. İletim bandı ile valans bandını çapraz veya çapraz hale getirecek bir örtüşmeyi oluşturmak veya hareket ettirmek için yeterli voltajın uygulanması yeterlidir. ("Kapatma ve açma" resmine bakın.) )