Transitor xuyên hầm

Bài viết này mô tả nguyên lý của bóng bán dẫn đường hầm và ưu điểm của chúng.

0040-77771 DPS ESC
Thế giới của PC, máy tính bảng và điện thoại thông minh luôn hoạt động đã ra đời nhờ một xu hướng đáng chú ý: sự thu nhỏ ngày càng tăng của các bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (MOSFET). MOSFET, là khối xây dựng cơ bản của hầu hết các mạch tích hợp, đã thu nhỏ kích thước xuống còn 1/1000 trong nửa thế kỷ qua, từ hàng chục micron vào những năm 60 của thế kỷ 20 xuống chỉ còn hàng chục nanomet ngày nay. Khi các thế hệ MOSFET ngày càng nhỏ hơn, các chip dựa trên MOSFET sẽ chạy nhanh hơn và tiết kiệm điện hơn bao giờ hết.
Xu hướng này đã dẫn đến chuỗi chiến thắng dài nhất và vĩ đại nhất trong lịch sử công nghiệp, giúp chúng ta tiếp cận với các thiết bị, năng lực và sự tiện lợi mà thế hệ trước không thể tưởng tượng được. Nhưng sự tiến bộ ổn định này đang bị đe dọa và cốt lõi của vấn đề nằm ở cơ học lượng tử. Các electron có khả năng xuyên qua các rào cản năng lượng cực kỳ mạnh mẽ – một hiện tượng được gọi là đường hầm lượng tử. Khi các nhà sản xuất chip lắp đặt ngày càng nhiều bóng bán dẫn trên chip, các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn, do đó khoảng cách giữa các vùng bóng bán dẫn khác nhau bị nén lại. Kết quả là, một rào cản điện tử từng đủ dày để chặn dòng điện giờ đây rất mỏng, cho phép các electron đi qua nó một cách nhanh chóng.

Chúng tôi đã chuyển sang làm mỏng oxit cổng, một phần quan trọng của bóng bán dẫn. Lớp này phân tách điện tử cổng điều khiển bật và tắt bóng bán dẫn khỏi kênh dẫn điện. Bằng cách làm mỏng lớp oxit này, nhiều điện tích hơn có thể được truyền vào kênh, tăng tốc dòng điện và cho phép bóng bán dẫn chạy nhanh hơn. Tuy nhiên, độ dày oxit không thể nhỏ hơn 1 nanomet, đó là những gì chúng ta có thể đạt được ngày nay. Vượt quá giới hạn này, sẽ có quá nhiều điện tích chạy qua kênh khi bóng bán dẫn ở trạng thái "tắt" và lý tưởng nhất là sẽ không có điện tích nào chạy qua. Đây chỉ là một trong nhiều rò rỉ.
Chúng ta không thể ngăn đường hầm điện tử đi qua hàng rào mỏng này, nhưng chúng ta có thể khiến nó hoạt động có lợi cho mình. Trong những năm gần đây, một thiết kế bóng bán dẫn mới hơn – bóng bán dẫn hiệu ứng trường đường hầm (TFET) – đã được tăng tốc. Không giống như MOSFET kiểm soát dòng điện bằng cách tăng hoặc giảm hàng rào năng lượng, hàng rào năng lượng của TFET vẫn ở mức cao. Thiết bị điều khiển việc bật và tắt bằng cách thay đổi khả năng các electron ở một bên của rào cản sẽ xuất hiện ở phía bên kia.
Nguyên lý hoạt động này rất khác so với cách hoạt động của bóng bán dẫn truyền thống. Tuy nhiên, đây có thể chính xác là những gì chúng ta cần làm khi MOSFET ngừng phát triển. Nó mở đường cho sự phát triển của các mạch điện nhanh hơn, dày đặc hơn và tiết kiệm năng lượng hơn để mở rộng Định luật Moore sang thập kỷ tiếp theo.
Đây không phải là lần đầu tiên bóng bán dẫn thay đổi hình dạng. Ban đầu, các máy tính dựa trên chất bán dẫn sử dụng các mạch làm bằng bóng bán dẫn lưỡng cực. Nhưng chỉ vài năm sau khi MOSFET silicon được giới thiệu vào năm 1960, các kỹ sư đã nhận ra rằng họ có thể tạo ra hai công tắc bổ sung để chúng có thể hoạt động cùng nhau để tạo thành các mạch bán dẫn oxit kim loại (CMOS) bổ sung. Không giống như logic bóng bán dẫn lưỡng cực, mạch này chỉ tiêu thụ năng lượng khi được bật. Kể từ khi các mạch tích hợp dựa trên CMOS đầu tiên xuất hiện vào đầu những năm 70, MOSFET đã thống trị thị trường.
Về nhiều mặt, MOSFET không khác nhiều so với bóng bán dẫn lưỡng cực. Cả hai đều kiểm soát dòng điện bằng cách nâng hoặc hạ rào cản năng lượng – hơi giống như nâng hoặc hạ cửa cống trên sông. Trong trường hợp này, "nước sông" được tạo thành từ hai loại chất mang: electron và lỗ trống, lỗ trống là thực thể tích điện dương về cơ bản thiếu electron từ lớp vỏ ngoài của nguyên tử trong vật liệu.
Có hai dải năng lượng hoặc dải năng lượng cho phép đối với các sóng mang này. Các electron có đủ năng lượng để chuyển động tự do trong vật liệu nằm trong vùng dẫn. Các lỗ trống chảy trong các dải năng lượng thấp, gọi là dải hóa trị, từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, giống như một bãi đậu xe trống có thể trở thành bãi đậu xe đầy ắp do dòng xe ô tô gần đó ra vào liên tục.
Các dải này cố định nhưng chúng ta có thể thay đổi năng lượng liên kết với chúng bằng cách thêm tạp chất hoặc nguyên tử pha tạp để làm cho năng lượng cao hơn hoặc thấp hơn, do đó làm thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn. chất bán dẫn loại n được pha tạp thêm các electron dẫn điện các electron mang điện âm; Chất bán dẫn loại P gây ra sự khử electron thông qua pha tạp dẫn đến các lỗ tích điện dương.
Nếu kết hợp hai loại chất bán dẫn này, chúng ta sẽ có một dải bị lệch, tạo ra một rào cản ở giữa. Để chế tạo MOSFET, chúng tôi đưa vật liệu vào giữa hai loại bổ sung, theo cấu hình npn hoặc pnp. Điều này tạo ra ba vùng ở giữa bóng bán dẫn: nguồn (nơi điện tích đi vào thành phần), kênh và cống (nơi điện tích thoát ra).

Hai điểm nối pn của mỗi bóng bán dẫn cung cấp một rào cản năng lượng điện tử cho dòng điện tích và bóng bán dẫn có thể được bật bằng cách đặt một điện áp vào cổng phía trên kênh. Việc đặt một điện áp dương vào MOSFET kênh n khiến kênh thu hút nhiều electron hơn vì nó làm giảm lượng năng lượng cần thiết để các electron di chuyển về phía kênh. Việc đặt điện áp âm vào MOSFET kênh p có thể có tác động tương tự lên các lỗ.
Cách đơn giản để hạ thấp rào cản năng lượng này là cơ chế điều khiển dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong thiết bị điện tử bán dẫn. Điốt, laser, bóng bán dẫn lưỡng cực, thyristor và hầu hết các bóng bán dẫn hiệu ứng trường đều tận dụng phương pháp này. Tuy nhiên, có một hạn chế vật lý đối với phương pháp này: bóng bán dẫn cần một lượng điện áp nhất định trước khi có thể bật hoặc tắt. Điều này là do các electron và lỗ trống luôn chuyển động do năng lượng nhiệt và phần năng lượng cao nhất của chúng vượt qua hàng rào năng lượng. Ở nhiệt độ phòng, nếu giảm điện áp rào chắn đi 60 mV thì dòng điện chạy qua rào chắn tăng gấp 10 lần; Mỗi thay đổi dòng điện "thập phân" yêu cầu thay đổi 60 mV.

Tất cả những rò rỉ dòng điện này đều xảy ra dưới mức điện áp ngưỡng của thiết bị. Điện áp ngưỡng là điện áp cần thiết để bật bóng bán dẫn. Các nhà vật lý thiết bị gọi vùng giảm rào cản này là vùng dưới ngưỡng và điện áp 60 mV trên mỗi số thập phân được coi là dao động dưới ngưỡng tối thiểu. Để giữ mức tiêu thụ năng lượng ở mức thấp, nên giữ mức dao động dưới ngưỡng càng thấp càng tốt. Điều này làm giảm điện áp cần thiết để bật thiết bị và giảm dòng điện rò khi tắt.
Trước đây, sự thay đổi ngưỡng phụ không phải là vấn đề lớn khi chip cần điện áp cao hơn để hoạt động. Nhưng hiện nay, những dao động dưới ngưỡng đang bắt đầu cản trở nỗ lực giảm mức tiêu thụ năng lượng của chúng ta. Điều này một phần là do các nhà thiết kế mạch muốn đảm bảo rằng các thành phần logic của họ có sự phân biệt rõ ràng giữa các dòng xác định "0" và các dòng xác định "1". Bóng bán dẫn thường được thiết kế sao cho khi bật, chúng có thể mang dòng điện gấp 10,{3}} lần so với mức có thể rò rỉ khi tắt. Điều này có nghĩa là để bật một bóng bán dẫn, cần phải đặt một điện áp ít nhất 240 mV vào nó, tức là 4 dòng điện thập phân, vì mỗi số thập phân cần 60 mV.
Trong thực tế, mạch CMOS thường sử dụng điện áp hoạt động cao hơn nhiều, gần 1 volt. Điều này là do mạch logic cơ bản nhất trong CMOS, bộ biến tần, sử dụng hai bóng bán dẫn nối tiếp. Cổng NAND yêu cầu 3 bóng bán dẫn nối tiếp, nghĩa là nó yêu cầu điện áp cao hơn biến tần. Nếu cần thực hiện các điều chỉnh để tính đến sự biến thiên của quy trình - nghĩa là cần phải đặt biên điện áp rộng hơn để tính đến sự biến thiên giữa các thiết bị - thì điện áp hiện nay là gần 1 volt để đảm bảo hoạt động.
Những yêu cầu về điện áp này, kết hợp với các vấn đề rò rỉ, có nghĩa là khả năng thu nhỏ MOSFET đang giảm dần và không có lối thoát. Nếu chúng ta muốn giảm thêm điện áp để giảm mức tiêu thụ năng lượng, có hai lựa chọn (cả hai lựa chọn đều không hấp dẫn): chúng ta có thể giảm dòng điện qua thiết bị, điều này làm giảm tốc độ khởi động và do đó làm giảm hiệu suất; Ngoài ra, dòng điện có thể được giữ ở mức cao đồng thời cho phép nhiều dòng điện rò rỉ ra khỏi thiết bị hơn tại thời điểm tắt máy. Đây là nơi TFET có thể được sử dụng. Không giống như trong MOSFET, nơi hàng rào năng lượng vật lý giữa nguồn và cống được nâng lên hoặc hạ xuống, trong TFET, chúng tôi sử dụng một cổng để kiểm soát độ dày điện thực tế của hàng rào năng lượng và do đó khả năng các electron đi qua hàng rào năng lượng.
Một lần nữa, điều kỳ diệu của phương pháp này nằm ở nút thắt pn – nhưng có một số khúc mắc. Trong TFET, vật liệu bán dẫn được đặt ở dạng chốt và chốt. trong đó "i" là viết tắt của "nội tại", nghĩa là kênh có nhiều electron bằng lỗ trống. Trạng thái nội tại tương ứng với điện trở suất cực đại mà chất bán dẫn sở hữu. Nó cũng làm tăng năng lượng liên kết với các dải trong kênh, tạo ra một rào cản năng lượng dày mà các hạt mang điện trong nguồn khó có thể vượt qua. Cả electron và lỗ trống đều tuân theo các định luật cơ học lượng tử, nghĩa là kích thước của chúng không rõ ràng. Khi hàng rào dày dưới 10 nanomet, khó có khả năng (nhưng không hoàn toàn không thể) các electron ở một bên của hàng rào bắt đầu ở phía bên kia.
Trong TFET, chúng tôi tăng khả năng này bằng cách đặt một điện áp vào cổng của bóng bán dẫn. Điều này chồng lên dải dẫn trong nguồn và dải hóa trị trong kênh, mở ra một cửa sổ đường hầm. Lưu ý rằng trong TFET, các electron chui hầm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị khi chúng di chuyển đến kênh. Điều này hoàn toàn trái ngược với những gì xảy ra trong MOSFET. Trong MOSFET, các electron hoặc lỗ trống di chuyển chủ yếu qua dải này hay dải khác, từ nguồn qua kênh đến cống.
Do cơ chế đào hầm không được kiểm soát bởi dòng sóng mang xuyên qua hàng rào năng lượng nên dao động điện áp cần thiết để khởi động TFET có thể nhỏ hơn nhiều so với MOSFET. Chỉ cần đặt đủ điện áp để tạo hoặc di chuyển sự chồng chéo làm cho dải dẫn và dải hóa trị giao nhau hoặc không cắt nhau. (Xem hình minh họa "Tắt và bật.") )