ترانزستور تأثير المجال النفقي

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

ترانزستور تأثير المجال النفقي ( TFET) هو نوع تجريبي من الترانزستورات. على الرغم من تشابه بنيته إلى حد كبير مع ترانزستور تأثير المجال المعدني-أكسيد-شبه الموصل ( MOSFET )، إلا أن آلية التبديل الأساسية تختلف، مما يجعل هذا الجهاز مرشحًا واعدًا للإلكترونيات منخفضة الطاقة . يتم التبديل في ترانزستورات TFET عن طريق تعديل النفق الكمومي عبر حاجز، بدلاً من تعديل الانبعاث الحراري عبر حاجز كما هو الحال في ترانزستورات MOSFET التقليدية. لهذا السبب، لا تتأثر ترانزستورات TFET بذيل ماكسويل-بولتزمان الحراري لحاملات الشحنة، والذي يحد من تأرجح تيار المصرف تحت العتبة في ترانزستورات MOSFET إلى حوالي 60 مللي فولت لكل عقد من التيار عند درجة حرارة الغرفة.

تعود دراسات ترانزستورات تأثير المجال النفقي (TFET) إلى ستوتزر، الذي نشر عام 1952 أولى دراساته حول ترانزستور يحتوي على العناصر الأساسية لترانزستور تأثير المجال النفقي، وهي وصلة pn مُبَوَّبة. مع ذلك، لم يكن التحكم في موصلية السطح المُبلغ عنه مرتبطًا بالنفق. [ 1 ] أُبلغ عن أول ترانزستور تأثير مجال نفقي بواسطة ستيفن هوفشتاين وجورج وارفيلد في شركة RCA عام 1965. [ 2 ] كان يورغ أبينزيلر وزملاؤه في شركة IBM أول من أثبت إمكانية الحصول على تقلبات في التيار أقل من حد 60 ملي فولت لكل عقد لترانزستور MOSFET. في عام 2004، أبلغوا عن ابتكارهم ترانزستور نفقي بقناة من أنابيب الكربون النانوية وتقلب تحت العتبة يبلغ 40 ملي فولت فقط لكل عقد. [ 3 ] أشارت الدراسات النظرية إلى إمكانية تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة باستخدام ترانزستورات تأثير المجال النفقي منخفضة الجهد بدلاً من ترانزستورات MOSFET في الدوائر المنطقية. [ 4 ]

تيار المصرف مقابل جهد البوابة لأجهزة TFET و MOSFET افتراضية. قد يتمكن جهاز TFET من تحقيق تيار مصرف أعلى عند استخدام جهود منخفضة.

في أجهزة MOSFET التقليدية، يُعدّ 60 ملي فولت/عقد حدًا أساسيًا لتوسيع نطاق الطاقة. تُعطى النسبة بين تيار التشغيل وتيار الإيقاف (وخاصةً تسرب ما دون العتبة - أحد المساهمين الرئيسيين في استهلاك الطاقة) بنسبة جهد العتبة إلى ميل ما دون العتبة، على سبيل المثال:

ن=60مV/دهـجأدهـ;Vتح=300مV→أناoن/أناoوو=Vتح/ن=5دهـجأدهـs=100٠٠٠{\displaystyle n=60\,\,\mathrm {mV/decade} ;\,\,\,V_{\rm {th}}=300\,\,\mathrm {mV} \,\,\rightarrow \,\,I_{\rm {on}}/I_{\rm {off}}=V_{\rm {th}}/n=5\,\,\mathrm {decades} =100\,000}

تتناسب سرعة الترانزستور طرديًا مع تيار التشغيل: فكلما زاد تيار التشغيل، زادت سرعة شحن الترانزستور لمجموعته (الحمل السعوي المتتالي). بالنسبة لسرعة ترانزستور معينة وأقصى تسريب مقبول تحت العتبة، يحدد ميل منحنى تحت العتبة جهد عتبة أدنى معين. يُعد خفض جهد العتبة عنصرًا أساسيًا في فكرة تقليص المجال الثابت . منذ عام 2003، واجه مطورو التكنولوجيا الرئيسيون صعوبة في تقليص جهد العتبة، وبالتالي لم يتمكنوا من تقليص جهد التغذية (الذي يجب أن يكون، لأسباب تقنية، ثلاثة أضعاف جهد العتبة على الأقل للأجهزة عالية الأداء). ونتيجة لذلك، لم تتطور سرعة المعالج بالسرعة التي كانت عليها قبل عام 2003 (انظر ما وراء CMOS ). سيُمكّن ظهور جهاز TFET قابل للإنتاج بكميات كبيرة بميل أقل بكثير من 60 مللي فولت/عقد الصناعة من مواصلة اتجاهات التقليص من تسعينيات القرن الماضي، حيث تضاعف تردد المعالج كل ثلاث سنوات.

بناء

يتشابه التركيب الأساسي لترانزستور تأثير المجال النفقي (TFET) مع ترانزستور تأثير المجال المعدني-العازل (MOSFET)، باستثناء أن طرفي المصدر والمصب في ترانزستور تأثير المجال النفقي مُطعّمان بنوعين متعاكسين من الشوائب (انظر الشكل). يتكون التركيب الشائع لجهاز ترانزستور تأثير المجال النفقي من وصلة PIN ( من النوع p ، أو الجوهري ، أو من النوع n )، حيث يتم التحكم في الجهد الكهروستاتيكي للمنطقة الجوهرية بواسطة طرف البوابة .

بنية TFET الجانبية الأساسية.

تشغيل الأجهزة

يعمل الجهاز بتطبيق جهد بوابة يسمح بتراكم الإلكترونات في المنطقة الجوهرية لترانزستور تأثير المجال ذي النوع n. عند جهد بوابة كافٍ، يحدث نفق بين نطاقي الطاقة (BTBT) عندما يتطابق نطاق التوصيل في المنطقة الجوهرية مع نطاق التكافؤ في المنطقة p. تنتقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ في المنطقة p إلى نطاق التوصيل في المنطقة الجوهرية، مما يسمح بمرور التيار عبر الجهاز. [ 5 ] مع انخفاض جهد البوابة، يصبح نطاقا الطاقة غير متطابقين، ويتوقف مرور التيار.

مخطط نطاق الطاقة لبنية ترانزستور تأثير المجال النفقي الجانبي الأساسي. يتم تشغيل الجهاز عند تطبيق جهد بوابة كافٍ يسمح للإلكترونات بالانتقال عبر النفق من نطاق التكافؤ للمصدر إلى نطاق التوصيل للقناة.

أجهزة نموذجية

كان فريق من شركة IBM أول من أثبت إمكانية تحقيق تقلبات في التيار الكهربائي أقل من حد 60 ملي فولت لكل عقد، وهو الحد الأقصى المسموح به في ترانزستور MOSFET. في عام 2004، نشروا تقريرًا عن ترانزستور نفقي ذي قناة من أنابيب الكربون النانوية ، وتقلبات تحت العتبة لا تتجاوز 40 ملي فولت لكل عقد. [ 6 ]

بحلول عام 2010، تم تصنيع العديد من ترانزستورات تأثير المجال النفقي (TFETs) باستخدام أنظمة مواد مختلفة، [ 4 ] ولكن لم يتمكن أي منها حتى الآن من إظهار انحدار حاد تحت العتبة عند تيارات التشغيل المطلوبة للتطبيقات الشائعة. في مؤتمر IEDM' 2016، عرض فريق من جامعة لوند ترانزستور تأثير المجال النفقي (TFET) عموديًا من نوع InAs / GaAsSb / GaSb ، [ 7 ] والذي يُظهر انحدارًا تحت العتبة يبلغ 48 ملي فولت/عقد، وتيار تشغيل يبلغ 10.6 ميكرو أمبير/ميكرومتر، وتيار إيقاف يبلغ 1 نانو أمبير/ميكرومتر عند جهد تغذية 0.3 فولت، مما يُظهر إمكانية تفوقه على ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون عند جهد تغذية أقل من 0.3 فولت.

النظرية والمحاكاة

تم اقتراح هياكل ترانزستورات تأثير المجال النفقي (TFET) ذات البوابة المزدوجة والجسم الرقيق من نوع البئر الكمومي إلى البئر الكمومي للتغلب على بعض التحديات المرتبطة بهيكل ترانزستورات تأثير المجال النفقي الجانبي، مثل حاجتها إلى توزيعات تطعيم فائقة الحدة؛ ومع ذلك، قد تعاني هذه الأجهزة من تسرب البوابة بسبب المجالات الرأسية الكبيرة في هيكل الجهاز. [ 8 ]

أظهرت عمليات المحاكاة التي أجريت في عام 2013 أن ترانزستورات تأثير المجال النفقي (TFETs) التي تستخدم InAs-GaSb قد يكون لها تأرجح تحت العتبة يبلغ 33 ملي فولت/عقد في ظل الظروف المثالية. [ 9 ]

تم اقتراح استخدام الهياكل غير المتجانسة لفان دير فالس في ترانزستورات تأثير المجال النفقي في عام 2016. [ 10 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ستوتزر، أو إم (1952). "مقاومات الوصلات الميدانية". وقائع معهد مهندسي الراديو . 40 (11): 1377-1381 . doi : 10.1109/JRPROC.1952.273965 . S2CID 51659160 . 
  2. ↑ هوفستين، إس آر؛ وارفيلد، جي. (1965). "الصمام الثلاثي ذو الوصلة النفقية المعزولة". معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 12 (2): 66-76 . Bibcode : 1965ITED...12...66H . doi : 10.1109/T-ED.1965.15455 .
  3. ↑ أبينزيلر، ج. (2004-01-01). " النفق بين نطاقي الطاقة في ترانزستورات تأثير المجال لأنابيب الكربون النانوية". رسائل المراجعة الفيزيائية . 93 (19) 196805. رمز Bibcode : 2004PhRvL..93s6805A . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.196805 . PMID 15600865. S2CID 17240712 .  
  4. 1 2 سيبو، أ.س.؛ تشانغ، كيو. (2010). "ترانزستورات النفق منخفضة الجهد لمنطق ما بعد CMOS". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 98 (12): 2095-2110 . doi : 10.1109/JPROC.2010.2070470 . S2CID 7847386 . 
  5. ↑ تشانغ، لينينغ؛ تشان، مانسون، محرران. (2016). تقنية ترانزستور تأثير المجال النفقي . تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. doi : 10.1007/978-3-319-31653-6 . ISBN 978-3-319-31651-2.
  6. ↑ سيباوغ (سبتمبر 2013). "ترانزستور النفق" . مجلة IEEE Spectrum . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.
  7. ↑ ميميسيفيتش، إي.؛ سفينسون، ج.؛ هيلينبراند، م.؛ ليند، إي.؛ فيرنرسون، ل.-إي. (2016). "ترانزستور تأثير المجال النفقي العمودي InAs/GaAsSb/GaSb على السيليكون مع S = 48 mV/Decade و I on = 10 μA/μm لـ I off = 1 nA/μm عند V ds = 0.3 V" . مؤتمر IEEE الدولي لأجهزة الإلكترونيات (IEDM) لعام 2016. الصفحات 19.1.1–4. doi : 10.1109/IEDM.2016.7838450 . ISBN  978-1-5090-3902-9. S2CID 34315968 . 
  8. ↑ طهراني، جيه تي؛ أغاروال، إس؛ يابلونوفيتش، إي؛ هويت، جيه إل؛ أنطونياديس، دي إيه (2013). "تأثير طاقة التكميم وتسريب البوابة في ترانزستورات النفق ثنائية الطبقة". رسائل أجهزة الإلكترونيات IEEE . 34 (2): 298. Bibcode : 2013IEDL...34..298T . doi : 10.1109/LED.2012.2229458 . S2CID 6216978 . 
  9. ↑ هوانغ، ديفيد؛ فانغ، هوي؛ جافي، علي (2013). "محاكاة جهاز ترانزستور تأثير المجال النفقي (TFET)" (ملف PDF) . جامعة كاليفورنيا.
  10. ^ تساو، جيانغ؛ لوغوتيتا، ديميتريو؛ أوزكايا، سيبل؛ بيل، بلانكا؛ كريستي، أليساندرو؛ بالا، ماركو جي؛ إسيني ، ديفيد (2016). “تشغيل وتصميم ترانزستورات نفق فان دير فالس: دراسة النقل الكمي ثلاثي الأبعاد”. معاملات IEEE على الأجهزة الإلكترونية . 63 (11): 4388– 94. بيب كود : 2016ITED...63.4388C . دوى : 10.1109/TED.2016.2605144 . S2CID 7929512 .