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隧穿场效应晶体管是什么_隧穿场效应晶体管的介绍

2018年01月03日 15:32 电子发烧友整理 作者: 用户评论(0

在传统MOSFET中,载流子从源极越过pn结势垒热注入到沟道中。而隧穿场效应晶体管(Tunneling Field-Effect Transistor或者TFET)的工作原理是带间隧穿(Band-to-band tunneling或者BTBT)。BTBT最早由Zener在1934年提出来。pn结在反偏状态下,当n区导带中某些未被电子占据的空能态与p区价带中某些被电子占据的能态具有相同的能量,而且势垒区很窄时,电子会从p区价带隧穿到n区导带。下图是一个典型的双栅结构的Si TFET示意图,其中tox表示栅介质的厚度,tsi表示体硅的厚度。TFET是一个p+-i-n+结构,i区上方是栅介质和栅电极。它通过栅极电压的变化调制i区的能带来控制器件的电流。

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在理想状态下,一个p+区和n+区掺杂对称的TFET在不同极性的栅极电压偏置下可以表现出双极性。所以对于n型TFET来说,p+区是源区,i区是沟道区,n+区是漏区。对于p型TFET来说,p+区是漏区,i区是沟道区,n+区是源区。漏极电压用Vd表示,栅极电压用Vs表示,栅极电压用Vg表示。

隧穿场效应晶体管是什么----隧穿场效应晶体管工作原理

隧穿场效应晶体管(TFET)的工作原理是带间隧穿,其S可以突破60mV/decade的限制,而且TFET的Ioff非常低,所以TFET的工作电压可以进一步地降低。如下图中的虚线所示,在比较小的栅电压条件下,TFET的Ion和Ion/Ioff都会大于传统MOSFTE的Ion和Ion/Ioff。所以TFET被看做是非常有前景的低工作电压和低功耗的逻辑CMOS器件。

隧穿场效应晶体管是什么_隧穿场效应晶体管的介绍

除了使用多栅结构提高器件的栅控能力和S小于60mV/decade的TFET,另一种减小集成电路功耗的方法是降低晶体管的工作电压Vdd。传统的MOSFET等比例缩小原则假设阈值电压也能等比例的缩小,但是实际上阈值电压并不遵循这样的原则。所以持续地减小工作电压必然会导致栅极的驱动能力(Vdd-Vth)降低。当栅极驱动能力降低时,器件的驱动电流Ion会减小。Ion的减小使器件的延迟(t=CVdd/Ion)增加或者器件的开关速度减小。由于InAs和GaAs的电子迁移率高于Si的电子迁移率,Ge和InSb的空穴迁移率高于Si的空穴迁移率,如果选用上述高迁移率的材料作为器件的沟道材料可以缓解(Vdd-Vth)的降低带来的Ion减小,所以在高速度和低功耗的集成电路中,III-V材料和Ge都是很有前景的器件沟道材料。

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( 发表人:李建兵 )

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