可重构晶体管取得新进展!制造后也可改变属性!

2023-07-07 12:14:24 来源:EETOP
几十年来,传统晶体管一直在不断地小型化,这是由摩尔定律的总体趋势所决定的。然而,随着我们越来越接近这种缩小规模的物理边界,相关成本飙升,而量子问题也带来了重大障碍。

为了继续获得缩放的性能优势而不实际缩小元件尺寸,研究人员现在正在追求一种新概念:可重构晶体管。本周,隆德大学的研究人员宣布了一项研究,描述了使用铁电材料的可重构晶体管的所取得的突破。

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毫米级芯片上的可重构晶体管。图片由安东·佩尔森/隆德大学提供

在这篇文章中,我们将讨论可重构晶体管、铁电材料和隆德大学的新型晶体管原型的优点。

可重构晶体管

随着摩尔定律放缓至接近停止,研究人员现在正在考虑将可重构晶体管作为技术的新范式转变。

在传统晶体管中,标准器件属性,例如极性(n 型和 p 型)和阈值电压,是在制造过程中预先定义的,之后无法更改。虽然该方案到目前为止已经奏效,但它最终限制了设备的灵活性及其对不断变化的需求或条件的适应性。

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可重构 FET 的拟议符号和 IV 曲线。图片由Science Direct提供

另一方面,可重构晶体管是一种特殊形式的晶体管,即使在制造后也可以改变这些属性。科学家可以使用控制器件特性的特殊材料和结构来重新配置晶体管的特性。例如,单个可重构晶体管有可能执行多个传统晶体管的功能,从而形成更紧凑、更高效的电路。此外,可重构晶体管可用于创建更灵活、适应性更强的电子系统,能够根据不断变化的条件或要求调整其行为。

与传统晶体管不同,可重构晶体管可以在制造后改变其属性,从而提供前所未有的灵活性和控制力。这种适应性对于开发更小、更节能的电路至关重要,这些电路可以增强内存存储和计算能力。

铁电材料:可重构晶体管的关键?

为了追求商业上可行的可重构晶体管,铁电 FET (FeFET)是一项正在大力投资的技术。

铁电材料是一类表现出受外部电场影响的电极化的材料。值得注意的是,即使移除外加电压后,FeFET 的极化仍保持恒定。在可重构晶体管的背景下,铁电材料用于创建“记忆”功能,其中材料的极化变化可用于改变晶体管的特性。

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FeFET 的器件结构和原理图。图片由普渡大学提供

改变和记住晶体管状态的能力为可重构性开辟了广泛的可能性。例如,可以根据电路的需要重新配置单个晶体管以在不同时间执行不同的功能。或者,可重构 FeFET 可以通过调节铁电极化并向栅电极施加电压脉冲来实现阈值电压的偏移。

最终,这可能会导致更紧凑、更高效的电路,甚至是能够适应不断变化的条件或要求的新型电子设备。

研究人员开发出铁电隧道 FET

在隆德大学的新研究中,研究小组研究了基于铁电材料的新型可重构晶体管。

该团队创建了直接位于结点附近的铁电“颗粒”,可以控制晶体管中的隧道结。这些颗粒的尺寸约为 10 纳米,可以在个体水平上进行控制;以前的研究只能控制整个谷物组。

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(A) 原理图符号和 (b) 铁 TFET 不同配置状态下的时域波形。

这项研究最终开发出了一种新型晶体管,称为铁 TFET(隧道 FET)。新器件在较小的面积 (~0.01 µm 2 )内提供显著较低的电源电压(低至 50 mV),同时在目标频率下保持高输出功率集中度。研究人员表示,这是由于该器件的垂直纳米线结构以及各种电源电压下传输曲线的抛物线形状,无需滤波器即可大幅抑制谐波。

研究人员还通过设计栅极/源极重叠结构,在铁 TFET 中实现了负跨导 (NTC)。NTC 行为可以通过改变铁电栅极氧化物的极化来重新配置,从而导致 IV 曲线中峰值电压的变化和真正的可重构性。


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