موضوع مقاله: ترانزیستور اثر میدان تونلی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ترانزیستور اثر میدان تونلی | مقدمه: اگرچه ساختار آن بسیار شبیه به یک ترانزیستور اثر میدان فلز-اکسید-نیم‌رسانا (ماسفت) است، سازوکار سوئیچینگ اساسی متفاوت است و این افزاره را به یک نامزد امیدوارکننده برای الکترونیک توان‌کم تبدیل می‌کند. | ## بخش 1: ترانزیستور اثر میدان تونلی | تی‌فِت‌ها با مدوله‌سازی تونل کوانتومی از طریق یک سَد به جای مدوله‌سازی گسیل گر مایونی بر روی یک سَد مانند ماسفت‌های سنتی تغییر می‌کنند. به همین دلیل، تی‌فِت‌ها توسط دنباله ماکسول-بولتزمن گرمایی حامل‌ها محدود نمی‌شوند، که دامنه‌نوسان زیرآستانه جریان درین ماسفت را به حدود ۶۰ (میلی‌ولت)/دهه از جریان در دمای اتاق محدود می‌کند. مطالعات تی‌فِت را می‌توان به اِشتودزِر ردیابی کرد که در سال ۱۹۵۲ اولین تحقیقات را در مورد یک ترانزیستور حاوی عناصر اصلی تی‌فِت، یک پیوند پی‌اِن گیت‌دار، منتشر کرد. جورج آپنزلر و همکارانش در آی‌بی‌ام اولین کسانی بودند که نشان دادند که دامنه‌نوسانات جریان کمتر از حد مجاز ۶۰ میلی‌ولت درهر دههٔ ماسفت امکان‌پذیر است. در سال ۲۰۰۴، آنها گزارش دادند که یک ترانزیستور تونلی با کانال نانولوله کربنی و دامنه‌نوسان زیرآستانه‌ای تنها ۴۰ میلی‌ولت درهر دهه ایجاد کرده‌اند. کار نظری نشان داده است که با استفاده از تی‌فِت‌های ولتاژ پایین به جای ماسفت‌ها در مدارهای منطقی می‌توان صرفه‌جویی قابل‌توجهی در توان به دست آورد. در افزاره‌های ماسفت کلاسیک، ۶۰ میلی ولت در دهه یک محدودیت اساسی برای مقیاس‌بندی توان است. نسبت بین جریان-روشنی و جریان-خاموشی (به ویژه نشت زیرآستانه - یکی از عوامل اصلی مصرف توان) با نسبت بین ولتاژ آستانه و شیب زیرآستانه داده می‌شود، به عنوان مثال: سرعت ترانزیستور متناسب با جریان-روشن است: هرچه جریان-روشن بالاتر بیشتر باشد، ترانزیستور سریع‌تر می‌تواند گنجایش خروجی (بار خازنی متوالی) را شارژ کند؛ بنابراین برای سرعت معین ترانزیستور و حداکثر نشت زیرآستانه قابل‌قبول، شیب زیرآستانه کمینه ولتاژ آستانه مشخصی را تعیین می‌کند. | ## بخش 2: ترانزیستور اثر میدان تونلی | از سال ۲۰۰۳، توسعه دهندگان اصلی فناوری تقریباً در مقیاس‌بندی ولتاژ آستانه گیر کردند و بنابراین نتوانستند ولتاژ منبع تغذیه را مقیاس‌بندی کنند (که به دلایل فنی باید حداقل ۳ برابر ولتاژ آستانه برای افزاره‌های با کارایی بالا باشد). در نتیجه، سرعت پردازنده به سرعت قبل از سال ۲۰۰۳ رشد نکرد (به فراتر از سیماس مراجعه کنید). ظهور یک افزاره تی‌فِت تولید انبوه با شیب بسیار کمتر از ۶۰ میلی ولت در دهه، صنعت را قادر می‌سازد تا روند مقیاس‌بندی را از دهه ۱۹۹۰ ادامه دهد، جایی که فرکانس پردازنده هر ۳ سال دو برابر می‌شد. ساختار ساختار اصلی تی‌فِت مشابه ماسفت است با این تفاوت که پایانه‌های سورس و درین تی‌فِت از نوع‌های متضاد آلایش شده‌اند (شکل را ببینید). یک ساختار افزاره تی‌فِت متداول از یک پیوند پی-آی-اِن (نوع-p، نیم‌رسانای‌ذاتی، نوع-n) تشکیل شده است که در آن پتانسیل الکترواستاتیک ناحیه ذاتی توسط یک پایانه گیت کنترل می‌شود. در بایاس گیت کافی، تونل‌زنی باند-به-باند (بی‌تی‌بی‌تی) زمانی اتفاق می‌افتد که باند هدایت ناحیه ذاتی با باند ظرفیت ناحیه P همسو شود. الکترون‌ها از باند ظرفیت تونل ناحیه نوع p به باند هدایت ناحیه ذاتی و جریان می‌توانند در سراسر افزاره جاری شوند. همان‌طور که بایاس گیت کاهش می‌یابد، باندها نامرتب می‌شوند و جریان دیگر نمی‌تواند جاری شود. | ## بخش 3: ترانزیستور اثر میدان تونلی | وقتی ولتاژ گیت کافی اعمال می‌شود، افزاره روشن می‌شود به طوری که الکترون‌ها می‌توانند از باند ظرفیت سورس به نوار هدایت کانال تونل بزنند. نمونه اولیه افزاره‌ها گروهی در آی‌بی‌ام اولین کسانی بودند که نشان دادند که دامنه‌نوسانات جریان کمتر از حد مجاز ۶۰ میلی‌ولت در هر دههٔ ماسفت امکان‌پذیر است. در سال ۲۰۰۴، آنها یک ترانزیستور تونلی با کانال نانولوله کربنی و دامنه‌نوسان زیرآستانه‌ای تنها ۴۰ میلی‌ولت در هر دهه را گزارش کردند. اما هیچ‌کدام هنوز نتوانسته‌اند شیب زیرآستانه تند در جریان‌های راه‌اندازی مورد نیاز برای کاربردهای اصلی را نشان دهند. در آی‌ئی‌دی‌ام ۲۰۱۶، گروهی از دانشگاه لوند یک نانوسیم عمودی InAs / GaAsSb / GaSb تی‌فِت را نشان دادند، که دامنه‌نوسان زیرآستانه ۴۸ میلی‌ولت/دهه را نشان می‌دهد، جریان-روشنی ۱۰٫۶ میکروآمپر بر میکرومتر درمقابل جریان-خاموشی ۱ نانوآمپر بر میکرومتر در ولتاژ تغذیه ۰٫۳ ولت، نشان دهنده پتانسیل عملکرد بهتر ماسفت‌های سیلیسیومی در ولتاژ تغذیه کمتر از ۰٫۳ ولت است. نظریه و شبیه‌سازی ساختارهای تی‌فِت چاه-به-چاه کوانتومی بدنه‌نازک دوگِیتی برای غلبه بر برخی چالش‌های مرتبط با ساختار تی‌فِت افقی، مانند نیاز آن به پروفایل‌های آلایش فراتیز ، پیشنهاد شده‌اند. با این حال، چنین افزاره‌هایی ممکن است با نشت گیت به دلیل میدان‌های عمودی بزرگ در ساختار افزاره مواجه شوند. | ## جمع‌بندی | شبیه‌سازی‌ها در سال ۲۰۱۳ نشان داد که تی‌فِت‌هایی که از InAs-GaSb استفاده می‌کنند ممکن است تحت شرایط ایده‌آل دارای دامنه‌نوسان زیرآستانه برابر با ۳۳ میلی‌ولت در دهه باشند.