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低功耗热发射极晶体管

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刘驰, 王鑫哲, 孙东明. 2024: 低功耗热发射极晶体管, 物理, 53(12): 836-838. doi: 10.7693/wl20241205
引用本文: 刘驰, 王鑫哲, 孙东明. 2024: 低功耗热发射极晶体管, 物理, 53(12): 836-838. doi: 10.7693/wl20241205
shu
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低功耗热发射极晶体管

  • 1 中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家研究中心 沈阳 110016;

  • 2 中国科学技术大学材料科学与工程学院 沈阳 110016

    • 通讯作者: 刘驰,email:chiliu@imr.ac.cn;  孙东明,email:dmsun@imr.ac.cn
    Corresponding authors: ; 

  • 摘要: 集成电路是现代信息技术的基石，而晶体管则是集成电路的基本单元。沿着摩尔定律发展，现代集成电路的集成度不断提升，目前单个芯片上已经可以集成数百亿个晶体管。然而，晶体管的功耗问题成为了限制集成电路进一步发展的主要瓶颈。从电子器件的角度出发，克服该难题的关键方法之一是降低晶体管的亚阈值摆幅(subthreshold swing，SS)，即减少使晶体管电流变化一个数量级所需要的栅极电压变化。然而，传统金属—半导体场效应管(MOSFET)的亚阈值摆幅受限于载流子的玻尔兹曼分布，无法低于60 mV/dec，因此探索具有新工作原理的器件已成为晶体管研究中最重要的方向之一。为此，研究人员从晶体管的电阻生成机制和调控方式两方面着手，提出了多种具有超低亚阈值摆幅的新原理晶体管。例如，人们使用静态电容控制带间隧穿，利用硅、锗和三五族等体材料以及碳纳米管、二维材料等低维材料发明了隧穿晶体管，成功实现了突破玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅；通过使用钙钛矿、HfO2基铁电体、二维铁电材料等铁电体替代MOSFET中的普通介电层，科研人员发明了负电容场效应晶体管，利用负电容效应使半导体的实际分压大于栅极施加电压的方式，从而突破玻尔兹曼极限；此外，还存在诸多其他类型的新原理晶体管。然而，这些晶体管通常存在开态电流较小和特性曲线回滞较大等问题，因此，该领域仍鼓励基于新物理机制构建超低功耗晶体管的探索。
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-22

低功耗热发射极晶体管

    通讯作者: 刘驰,email:chiliu@imr.ac.cn; 
    通讯作者: 孙东明,email:dmsun@imr.ac.cn
  • 1 中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家研究中心 沈阳 110016;
  • 2 中国科学技术大学材料科学与工程学院 沈阳 110016
  • 收稿日期:  2024-08-22

摘要: 集成电路是现代信息技术的基石，而晶体管则是集成电路的基本单元。沿着摩尔定律发展，现代集成电路的集成度不断提升，目前单个芯片上已经可以集成数百亿个晶体管。然而，晶体管的功耗问题成为了限制集成电路进一步发展的主要瓶颈。从电子器件的角度出发，克服该难题的关键方法之一是降低晶体管的亚阈值摆幅(subthreshold swing，SS)，即减少使晶体管电流变化一个数量级所需要的栅极电压变化。然而，传统金属—半导体场效应管(MOSFET)的亚阈值摆幅受限于载流子的玻尔兹曼分布，无法低于60 mV/dec，因此探索具有新工作原理的器件已成为晶体管研究中最重要的方向之一。为此，研究人员从晶体管的电阻生成机制和调控方式两方面着手，提出了多种具有超低亚阈值摆幅的新原理晶体管。例如，人们使用静态电容控制带间隧穿，利用硅、锗和三五族等体材料以及碳纳米管、二维材料等低维材料发明了隧穿晶体管，成功实现了突破玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅；通过使用钙钛矿、HfO2基铁电体、二维铁电材料等铁电体替代MOSFET中的普通介电层，科研人员发明了负电容场效应晶体管，利用负电容效应使半导体的实际分压大于栅极施加电压的方式，从而突破玻尔兹曼极限；此外，还存在诸多其他类型的新原理晶体管。然而，这些晶体管通常存在开态电流较小和特性曲线回滞较大等问题，因此，该领域仍鼓励基于新物理机制构建超低功耗晶体管的探索。

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