Tunneltransistoren

Dieser Artikel beschreibt das Prinzip von Tunneltransistoren und ihre Vorteile.

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Die Welt der ständig eingeschalteten PCs, Tablets und Smartphones entstand dank eines bemerkenswerten Trends: der zunehmenden Miniaturisierung von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). MOSFETs, die Grundbausteine ​​der meisten integrierten Schaltkreise, sind im letzten halben Jahrhundert auf ein Tausendstel ihrer Größe geschrumpft, von mehreren zehn Mikrometern in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts auf heute nur noch einige zehn Nanometer. Da Generationen von MOSFETs immer kleiner werden, laufen MOSFET-basierte Chips schneller und energieeffizienter als je zuvor.
Dieser Trend hat zu der längsten und größten Siegesserie in der Industriegeschichte geführt und uns Zugang zu Geräten, Kapazitäten und Komfort verschafft, die für frühere Generationen unvorstellbar gewesen wären. Dieser stetige Fortschritt ist jedoch gefährdet, und der Kern des Problems liegt in der Quantenmechanik. Elektronen haben die nervenaufreibende Fähigkeit, Energiebarrieren zu durchbrechen – ein Phänomen, das als Quantentunneln bekannt ist. Da Chiphersteller immer mehr Transistoren auf einem Chip installieren, werden die Transistoren immer kleiner, sodass der Abstand zwischen den verschiedenen Transistorbereichen immer kleiner wird. Dadurch ist eine elektronische Barriere, die einst dick genug war, um den elektrischen Strom zu blockieren, jetzt sehr dünn, sodass Elektronen sie schnell passieren können.

Wir haben uns von der Verdünnung des Gate-Oxids, einem wichtigen Teil eines Transistors, entfernt. Diese Schicht trennt elektronisch das Gate, das das Ein- und Ausschalten des Transistors steuert, vom leitenden Kanal. Durch die Verdünnung dieser Oxidschicht kann mehr Ladung in den Kanal geleitet werden, was den Stromfluss beschleunigt und es dem Transistor ermöglicht, schneller zu laufen. Allerdings kann die Oxiddicke nicht viel kleiner als 1 Nanometer sein, was wir heute wahrscheinlich erreichen können. Über dieser Grenze hinaus fließt zu viel Ladung durch den Kanal, wenn sich der Transistor im „Aus“-Zustand befindet, und im Idealfall fließt überhaupt keine Ladung. Dies ist nur eines von mehreren Leaks.
Wir können den Elektronentunnel nicht daran hindern, diese dünne Barriere zu passieren, aber wir können dafür sorgen, dass er für uns funktioniert. In den letzten Jahren hat sich ein neueres Transistordesign – Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFETs) – beschleunigt. Im Gegensatz zu MOSFETs, die den Stromfluss durch Anheben oder Absenken der Energiebarriere steuern, bleibt die Energiebarriere eines TFET hoch. Das Gerät steuert das Ein- und Ausschalten, indem es die Wahrscheinlichkeit ändert, dass Elektronen auf einer Seite der Barriere auf der anderen Seite erscheinen.
Dieses Funktionsprinzip unterscheidet sich stark von der Funktionsweise herkömmlicher Transistoren. Dies könnte jedoch genau das sein, was wir tun müssen, wenn die Entwicklung von MOSFETs aufhört. Es ebnete den Weg für die Entwicklung schnellerer, dichterer und energieeffizienterer Schaltkreise, um das Mooresche Gesetz auf das nächste Jahrzehnt auszuweiten.
Dies ist nicht das erste Mal, dass Transistoren ihre Form verändert haben. Ursprünglich verwendeten halbleiterbasierte Computer Schaltkreise aus Bipolartransistoren. Doch nur wenige Jahre nach der Einführung von Silizium-MOSFETs im Jahr 1960 erkannten Ingenieure, dass sie zwei komplementäre Schalter herstellen konnten, sodass sie zusammenarbeiten konnten, um komplementäre Metalloxid-Halbleiterschaltkreise (CMOS) zu bilden. Im Gegensatz zur Bipolartransistorlogik verbraucht diese Schaltung nur dann Energie, wenn sie eingeschaltet ist. Seit die ersten CMOS-basierten integrierten Schaltkreise in den frühen 70er Jahren auf den Markt kamen, dominieren MOSFETs den Markt.
In vielerlei Hinsicht unterscheiden sich MOSFETs nicht wesentlich von Bipolartransistoren. Beide steuern den Stromfluss, indem sie die Energiebarriere anheben oder absenken – ähnlich wie das Anheben oder Absenken einer Schleuse an einem Fluss. In diesem Fall besteht das „Flusswasser“ aus zwei Arten von Trägern: einem Elektron und einem Loch. Letzteres ist ein positiv geladenes Gebilde, dem im Wesentlichen ein Elektron aus der äußeren Hülle eines Atoms im Material fehlt.
Für diese Träger gibt es zwei zulässige Energiebereiche bzw. -bänder. Im Leitungsband befinden sich Elektronen, die über genügend Energie verfügen, um frei im Material zu fließen. Löcher fließen in Bändern niedriger Energie, sogenannten Valenzbändern, von einem Atom zum anderen, ähnlich wie ein leerer Parkplatz durch den ständigen Ein- und Ausstrom von Autos in der Nähe zu einem vollen Parkplatz werden kann.
Diese Bänder sind fest, aber wir können die mit ihnen verbundene Energie ändern, indem wir Verunreinigungen hinzufügen oder Atome dotieren, um die Energie zu erhöhen oder zu verringern und so die Leitfähigkeit des Halbleiters zu ändern. Mit zusätzlichen Elektronen dotierte Halbleiter vom n-Typ leiten negativ geladene Elektronen; Halbleiter vom P-Typ, die durch Dotierung eine Elektronenreduktion bewirken, leiten positiv geladene Löcher.
Wenn wir diese beiden Halbleitertypen kombinieren, erhalten wir ein falsch ausgerichtetes Band, wodurch eine Barriere dazwischen entsteht. Um einen MOSFET herzustellen, injizieren wir ein Material zwischen zwei komplementären Typen, in NPN- oder PNP-Konfigurationen. Dadurch entstehen drei Bereiche in der Mitte des Transistors: die Source (wo die Ladung in die Komponente eintritt), der Kanal und der Drain (der Ladungsausgang).

Die beiden pn-Übergänge jedes Transistors bilden eine elektronische Energiebarriere für den Ladungsfluss, und der Transistor kann durch Anlegen einer Spannung an das Gate über dem Kanal eingeschaltet werden. Das Anlegen einer positiven Spannung an den n-Kanal-MOSFET führt dazu, dass der Kanal mehr Elektronen anzieht, da dadurch die Energiemenge verringert wird, die erforderlich ist, damit sich die Elektronen in Richtung des Kanals bewegen. Das Anlegen einer negativen Spannung an einen p-Kanal-MOSFET kann den gleichen Effekt auf die Löcher haben.
Diese einfache Möglichkeit, die Energiebarriere zu senken, ist der am weitesten verbreitete Stromsteuerungsmechanismus in der Halbleiterelektronik. Dioden, Laser, Bipolartransistoren, Thyristoren und die meisten Feldeffekttransistoren nutzen diesen Ansatz. Allerdings gibt es bei diesem Ansatz eine physikalische Grenze: Der Transistor benötigt eine bestimmte Spannung, bevor er ein- oder ausgeschaltet werden kann. Dies liegt daran, dass Elektronen und Löcher aufgrund der thermischen Energie ständig in Bewegung sind und der energiereichste Teil von ihnen die Energiebarriere überschreitet. Wenn bei Raumtemperatur die Barriere um 60 Millivolt reduziert wird, erhöht sich der durch die Barriere fließende Strom um den Faktor 10; Jede „dezimale“ Stromänderung erfordert eine Änderung von 60 Millivolt.

Alle diese Stromlecks treten unterhalb der Schwellenspannung des Geräts auf. Die Schwellenspannung ist die Spannung, die zum Einschalten des Transistors erforderlich ist. Gerätephysiker bezeichnen diesen Barrierereduzierungsbereich als Unterschwellenbereich, und eine Spannung von 60 Millivolt pro Dezimalstelle gilt als minimaler Unterschwellenhub. Um den Energieverbrauch niedrig zu halten, sollte der Subthreshold-Swing so gering wie möglich gehalten werden. Dadurch wird die zum Einschalten des Geräts erforderliche Spannung reduziert und der Leckstrom beim Ausschalten verringert.
Schwankungen unterhalb des Schwellenwerts stellten in der Vergangenheit kein großes Problem dar, als Chips zum Betrieb höhere Spannungen benötigten. Aber jetzt beginnen Schwankungen unterhalb des Schwellenwerts unsere Bemühungen zur Reduzierung des Energieverbrauchs zu beeinträchtigen. Dies liegt zum Teil daran, dass Schaltungsentwickler sicherstellen möchten, dass ihre Logikkomponenten eine klare Unterscheidung zwischen den Strömen, die „0“ definieren, und denen, die „1“ definieren, aufweisen. Transistoren sind in der Regel so ausgelegt, dass sie im eingeschalteten Zustand 10,{3}-mal mehr Strom führen können, als sie im ausgeschalteten Zustand ableiten können. Das bedeutet, dass zum Einschalten eines Transistors eine Spannung von mindestens 240 Millivolt an ihn angelegt werden muss, also 4 Dezimalströme, da für jede Dezimalstelle 60 Millivolt benötigt werden.
In der Praxis verwenden CMOS-Schaltkreise typischerweise eine viel höhere Betriebsspannung, etwa 1 Volt. Dies liegt daran, dass die grundlegendste Logikschaltung im CMOS, der Inverter, zwei in Reihe geschaltete Transistoren verwendet. Ein NAND-Gatter benötigt 3 in Reihe geschaltete Transistoren, was bedeutet, dass es eine höhere Spannung benötigt als ein Wechselrichter. Wenn Anpassungen vorgenommen werden müssen, um die Prozessvariabilität zu berücksichtigen – was bedeutet, dass ein größerer Spannungsspielraum eingestellt werden muss, um die Variabilität von Gerät zu Gerät zu berücksichtigen –, liegt die Spannung heute nahe bei 1 Volt, um den Betrieb sicherzustellen.
Diese Spannungsanforderungen in Kombination mit Leckageproblemen führen dazu, dass die MOSFET-Miniaturisierung zurückgeht und es keinen Ausweg mehr gibt. Wenn wir die Spannung weiter reduzieren wollen, um den Energieverbrauch zu senken, gibt es zwei Möglichkeiten (von denen keine attraktiv ist): Wir können den Strom durch das Gerät reduzieren, was die Startgeschwindigkeit verringert und somit die Leistung beeinträchtigt; Alternativ kann der Strom hoch gehalten werden, während zum Zeitpunkt des Herunterfahrens mehr Strom aus dem Gerät abfließen kann. Hier kann TFET eingesetzt werden. Anders als bei MOSFETs, bei denen die physikalische Energiebarriere zwischen Source und Drain angehoben oder abgesenkt wird, verwenden wir bei TFET ein Gate, um die tatsächliche elektrische Dicke der Energiebarriere und damit die Wahrscheinlichkeit zu steuern, dass Elektronen die Energiebarriere passieren.
Auch hier liegt der Zauber dieses Ansatzes im PN-Knoten – allerdings mit einigen Wendungen. In einem TFET ist das Halbleitermaterial in den Konfigurationen Pin und Nip untergebracht. Dabei steht „i“ für „intrinsisch“, was bedeutet, dass der Kanal genauso viele Elektronen hat wie das Loch. Der intrinsische Zustand entspricht dem maximalen spezifischen Widerstand, den ein Halbleiter besitzt. Es erhöht auch die Energie, die mit den Bändern innerhalb des Kanals verbunden ist, wodurch eine dicke Energiebarriere entsteht, die Ladungsträger innerhalb der Quelle wahrscheinlich nicht überwinden werden. Sowohl Elektronen als auch Löcher gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik, was bedeutet, dass ihre Größe nicht eindeutig ist. Wenn die Barriere weniger als 10 Nanometer dick ist, ist es unwahrscheinlich (aber nicht völlig unmöglich), dass Elektronen, die sich auf einer Seite der Barriere befinden, auf der anderen Seite beginnen.
Beim TFET erhöhen wir diese Möglichkeit, indem wir eine Spannung an das Gate des Transistors anlegen. Dadurch überlappen sich das Leitungsband innerhalb der Quelle und das Valenzband innerhalb des Kanals, wodurch ein Tunnelfenster geöffnet wird. Beachten Sie, dass in einem TFET Elektronen zwischen den Leitungs- und Valenzbändern tunneln, wenn sie sich zum Kanal bewegen. Dies steht in krassem Gegensatz zu dem, was bei MOSFETs passiert. In einem MOSFET wandern Elektronen oder Löcher hauptsächlich durch das eine oder andere Band, von der Source über den Kanal bis zum Drain.
Da der Tunnelmechanismus nicht durch den Ladungsträgerfluss über die Energiebarriere gesteuert wird, kann der zum Starten eines TFET erforderliche Spannungshub viel kleiner sein als der eines MOSFET. Es reicht aus, genügend Spannung anzulegen, um eine Überlappung zu erzeugen oder zu verschieben, die dafür sorgt, dass sich Leitungsband und Valenzband kreuzen oder nicht kreuzen. (Siehe Abbildung „Aus- und Einschalten“.) )