يشكل تأثير القناة القصيرة (SCE) وتبديد استهلاك الطاقة عقبات هائلة أمام تقليص الترانزستورات في المستقبل لأنها تصل إلى 3 نانومتر وما بعدها. تركز المقالة على البوابة في جميع أنحاء ترانزستور تأثير المجال (GAA-FET) كبديل لترانزستور تأثير الحقل Fin (FinFET) في عقدة تقنية 3 نانومتر وما بعدها نظرًا لقدرتها على تقييد SCE.
الرجاء العثور هنا على المقالة الأصلية
تأثير القناة القصيرة
يعد تدهور تأثير القناة القصيرة (SCE) وتبديد استهلاك الطاقة عقبات أمام قانون مور اليوم. عندما يتم تصغير حجم الترانزستورات إلى ما بعد عقدة 100 نانومتر ، فإن SCE يمثل دائمًا تحديًا كبيرًا. العاملان الرئيسيان اللذان يؤثران بشكل كبير على أداء الجهاز هما تأرجح العتبة الفرعية (SS)1 والحاجز الناجم عن الصرف السفلي (DIBL)2.
يضعف تأثير DIBL من قدرة البوابة على التحكم في القناة ، مما يؤدي إلى انخفاض جهد العتبة (Vth) وزيادة التيار خارج الحالة (Ioff). SS هي قدرة الترانزستور على التبديل ويتم تعريفها على أنها أدنى جهد بوابة (Vg) مطلوب لزيادة تيار التصريف (Id) بترتيب من حيث الحجم. يؤدي تقليل طول القناة إلى تدهور SS ، مما يؤدي إلى ارتفاع Ioff.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن مشكلات “Boltzmann Tyranny” تصيب الترانزستورات التقليدية ، والتي تمنعها من تجاوز حد التأرجح تحت العتبة (SS) البالغ 60 مللي فولت / ديسمبر في درجة الحرارة المحيطة. لحسن الحظ ، إذا كان طول القناة أطول من 3 إلى 5 مرات من طول الفرز λ ، كما هو مذكور في عمل منشور3، يمكن حظر SCE للترانزستور. يتم تعريف طول الغربلة على النحو التالي:
حيث أن εs و ox عبارة عن سماح لمواد القناة وأكسيد العزل الكهربائي على التوالي ، فإن ts والسموم عبارة عن سماكة القناة والأكسيد ، و N هو عدد البوابات. تُعرف المسافة التي تنخفض فيها الإمكانات عند الواجهات بين المصدر والقناة ومن القناة إلى التصريف باسم طول الغربلة ، أو λ.
GAA-FET
نظرًا لأن GAA-FET لديها تحكم فائق في البوابة وقدرة أعلى على قمع SCE من FinFET نظرًا لهيكل البوابة المحيط بها ، فمن المتوقع مؤخرًا أن تحل محل FinFET وتهيمن على سوق أشباه الموصلات لعقد تقنية 3 نانومتر وما بعدها4.
على الرغم من أن GAA-FET قد أثبتت تفوقها كخيار محتمل في تقليل SCE ، لا يمكن تجاهل ارتفاع استهلاك الطاقة ، لا سيما بالنظر إلى أن استهلاك الطاقة الثابت يفوق الآن استهلاك الطاقة الديناميكي بسبب النمو الأسي لاستهلاك الطاقة الثابت مع انخفاض طول الترانزستور.
مع الحفاظ على آلية نقل الناقل في FET العادي ، يمكن لـ NC-FET إنتاج SS شديد الانحدار. وبالتالي يمكن الحفاظ على ارتفاع أيون. ومع ذلك ، يمكن إجراء NC-FET عن طريق إضافة طبقة حديدية كهربائية إلى كومة البوابة ، والتي لا تغير بشكل كبير عملية إنتاج NC-FET وتسمح باستخدامها مع طرق تصنيع أشباه الموصلات الحالية. تميز الفوائد المذكورة أعلاه NC-FET باعتباره المفتاح الواعد الأكثر حدة ، وهو تقنية استهلاك طاقة منخفضة للغاية.
نظرًا لقدرات التحكم في البوابة المحسّنة التي توفرها بنية البوابة المحيطة ، تعد GAA-FET باستبدال FinFET والاستحواذ على صناعة أشباه الموصلات في 3 نانومتر وما وراء عقد التكنولوجيا. إن أفضل تقنية استهلاك طاقة منخفضة للغاية من منظور المنظور والتي تعد بدعم قانون مور بشكل أكبر هي NC GAA-FET ، والتي تم إنشاؤها عن طريق دمج تأثير NC مع هيكل GAA FET.
كما هو مبين في الشكل 1 ، للحفاظ على ثابت Ion مع انخفاض طول البوابة ، يزداد Ioff أضعافًا مضاعفة إذا قلل VDD و V بشكل متناسب.
لقد ثبت من خلال التجارب أن مكدس بوابة المواد الحديدية الكهربية الرقيقة يمكن أن يساعد NC-FETs في تحقيق SS منخفض. وبالتالي فإن تأثير NC له فائدة كونه متوافقًا بشكل كبير مع جميع أنواع معماريات الترانزستور.
في الاحتفاظ بالاستقطاب بعد سحب المجال الكهربائي ، تعتبر المواد الفيروكهربائية استثنائية. يشار إلى الاستقطاب المتبقي باسم Pr ، أو استقطاب البقايا. يعد المجال الكهربائي العكسي الذي يجب توفيره لـ Pr للعودة إلى الصفر خاصية أخرى مهمة للمواد الحديدية الكهربية. المجال الكهربائي للحمل ، أو Ec هو اسم هذا المجال الكهربائي.
نظرًا لأن الطاقة أعلى بكثير في المنطقة التي تكون فيها السعة سالبة ، فإن منطقة NC في حالة شبه مستقرة. تحت Vg أكبر من الجهد الحرج ، Vc ، ينتقل الناقل من حالة مستقرة إلى أخرى ، ويمر عبر حالة NC. لذلك ، فإن تأثير NC هو ظاهرة عابرة يصعب تحديدها مباشرة. لقد تم اكتشاف أنه من خلال التحكم بشكل صحيح في جزء السعة للمواد العازلة والكهربائية الحديدية ، يمكن للمادة الكهروضوئية المتصلة في سلسلة مع مادة عازلة أن تبقى في منطقة NC بثبات.
حتى الآن ، تم عرض sub-60 mV / dec SS و Ion المحسن بشكل تجريبي لـ NC-FET و 2D NC-FET و NC-FinFET و NC-TFET و NC GAA-FET و NC GAA-TFET و NC JLGAA- FET. يوضح تأثير NC بالإضافة إلى التوافق مع جميع أنواع مواد قناة أشباه الموصلات. ومع ذلك ، هناك استثناء واحد: بسبب حالات الواجهة الإشكالية بين المواد الفيروكهربائية وطبقات أشباه الموصلات III-V ، لم تتمكن أي تجربة حتى الآن من الحصول على أقل من 60 mV / dec SS في NCFETs بناءً على مجموعة أشباه الموصلات III-V.
نظرًا لقدرتها على الحد من SCE ، تحكم بنية FinFET صناعة أشباه الموصلات من 22 نانومتر إلى 5 نانومتر عقدة تقنية. نتيجة لذلك ، تم اعتبار NC-FinFET لفترة من الوقت منافسًا واعدًا لجهاز استهلاك طاقة منخفض للغاية. ومع ذلك ، نظرًا لميزة GAA-FET في قمع SCE بسبب هيكل البوابة المحيط بها ، فإن FinFET سوف تتخلى عن هيمنتها على صناعة أشباه الموصلات عند العقدة 3 نانومتر وما بعدها. نتيجة لذلك ، في فئة الإلكترونيات ذات الاستهلاك المنخفض للغاية للطاقة ، تفوقت NC GAA-FET على NC FinFET.
على الرغم من أن أبحاث المحاكاة الخاصة بهم قد اكتملت بالفعل بشكل كافٍ ، إلا أن العرض التجريبي لـ NC GAA-FET استنادًا إلى أشباه الموصلات III-V عالية الحركة و 4 H-SiC ومواد أشباه الموصلات الأخرى لا تزال غير متوفرة. نتيجة لذلك ، تنتظر جهود هائلة لوضعها في البحث التجريبي لـ NC GAA-FET لمواكبة خطوة تطوير البحث النظري.
مراجع
1 Y. Zhai و Z. Feng و Y. Zhou و S.-T. هان ، “الترانزستورات الموفرة للطاقة: قمع تأرجح العتبة الفرعية تحت الحد المادي ،” Mater.Horizons ، المجلد. 8 ، لا. 6 ، الصفحات من 1601 إلى 1617 ، يونيو 2021.
2 أ. نوفبهار ، أ. روي ، وإل مارشتي ، “ترانزستورات جنكشن بلاس: دولة من الفن ،” إلكترونيات ، المجلد. 9، pp.174–1195، يوليو 2020.
3 AM Ionescu و H. Riel ، “ترانزستورات تأثير المجال النفقي كمفاتيح إلكترونية موفرة للطاقة ،” Nature، vol. 479 ، ص 329-337 ، تشرين الثاني (نوفمبر) 2011.
4 A. Samal و SL Tripathi و SK Mohapatra ، “رحلة من MOSFET السائبة إلى 3 نانومتر وما بعدها” ، Trans. اليكتر. إلكترون. ماتر ، المجلد. 21 ، لا. 5 ، ص 443-455 ، أكتوبر 2020.
