科学家总结了NC-FETs的最新研究成果，提出晶体管发展新思路

智能手机包含数十亿个被称为晶体管的微小开关。这些开关让人们可以处理除打电话以外的无数任务，比如发送短信、在社区导航和自拍。它们包括一个导电通道，其电导率可通过一个栅终端改变。而栅终端通过一个只有5——6个原子厚的介电薄膜，从通道中被分离出来。根据摩尔定律，过去50年间晶体管一直在小型化。摩尔定律观察到，一块芯片上的晶体管数量约每18个月增加一倍，成本则减半。但如今，人们已经面临不能再进一步扩大晶体管的局面。

在美国物理联合会（AIP）下属《应用物理快报》上，研究人员回顾了负电容场效应晶体管（NC-FETs）的发展。NC-FETs是一种新的器件概念。它表明，只需添加一层薄薄的铁电材料，便可以大大提高传统晶体管的效率。如果投入使用，同样的芯片可以计算更多，并且需要更少的频繁充电。

在上述文章中，研究人员总结了NC-FETs的最新研究成果，以及文献中报道的各种实验需要一致和连贯的问题。

“NC-FETs最初是由我的同事Supriyo Datta和研究生Sayeef Salahuddin提出的。他现在是加州大学伯克利分校的教授。”普渡大学电气和计算机工程教授Muhammad Ashraful Alam介绍说。

从一开始，Alam就发现NC-FETs的概念很有趣，它不仅解决了为半导体行业寻找新的电子开关这一迫切问题，还是一个针对被共同称为“朗道开关”的广义类相变装置的概念性框架。

“最近，当我的同事兼合著者Peide Ye教授开始实验展示这些晶体管时，我有机会与他合作，探索这种设备技术的有趣特性。”Alam 表示，“我们的文章总结了和这个话题相关的‘理论—实验’观点。”

通过电池供电来延长器件运行时间大大促进了电子工业的发展。通过减少供应电压以及设计具有更大的次阈值摆幅（SS）的晶体管来实现最小的功耗，这样便可以实现以更快的速度从off状态切换到on状态。然而，传统的Si互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管(FET) 在室温下被限制在60 mV/decade，因为在典型的n型FET中，source中的电子被栅极电压调制而阻止流向drain。source中的电子具有能量分布(通常是热玻尔兹曼分布)，该分布扩展到超过由栅极产生的势垒的值，该势垒在SS上的限制为60 mV/decade。

在保持on状态电流Ion和off状态电流Ioff同时，将需要使用不同的操作机制的晶体管。这些器件包括隧道晶体管(T-FETs）、碰撞电离FETs（i-FETs）、正反馈和负栅电容FETs（NC-FETs）。T-FETs已经成为最有前途的替代方案，它有可能通过使用低于0.5 V的供应电压来克服60 mV/decade的热限制，从而提供显著的功耗节约。然而，所有的T-FETs都严重限制了on状态电流（通常低于10 μA/μm），并且60 mV/decade的最陡开关斜率SS通常不会在整个亚阈值区域持续。其他类型——60 mV/decade的晶体管也有一些严重的缺陷，如强的滞回效应和有限的速度、稳定性或电压可扩展性。

文章来源： 中国科学报