隧穿場(chǎng)效應(yīng)管是什么？好文分享-KIA MOS管

隧穿場(chǎng)效應(yīng)管介紹

在傳統(tǒng)MOSFET中，載流子從源極越過(guò)pn結(jié)勢(shì)壘熱注入到溝道中。而隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Tunneling Field-Effect Transistor或者TFET）的工作原理是帶間隧穿（Band-to-band tunneling或者BTBT）。

BTBT最早由Zener在1934年提出來(lái)。pn結(jié)在反偏狀態(tài)下，當(dāng)n區(qū)導(dǎo)帶中某些未被電子占據(jù)的空能態(tài)與p區(qū)價(jià)帶中某些被電子占據(jù)的能態(tài)具有相同的能量，而且勢(shì)壘區(qū)很窄時(shí)，電子會(huì)從p區(qū)價(jià)帶隧穿到n區(qū)導(dǎo)帶。

下圖是一個(gè)典型的雙柵結(jié)構(gòu)的Si TFET示意圖，其中tox表示柵介質(zhì)的厚度，tsi表示體硅的厚度。TFET是一個(gè)p+-i-n+結(jié)構(gòu)，i區(qū)上方是柵介質(zhì)和柵電極。它通過(guò)柵極電壓的變化調(diào)制i區(qū)的能帶來(lái)控制器件的電流。

在理想狀態(tài)下，一個(gè)p+區(qū)和n+區(qū)摻雜對(duì)稱的TFET在不同極性的柵極電壓偏置下可以表現(xiàn)出雙極性。

所以對(duì)于n型TFET來(lái)說(shuō)，p+區(qū)是源區(qū)，i區(qū)是溝道區(qū)，n+區(qū)是漏區(qū)。對(duì)于p型TFET來(lái)說(shuō)，p+區(qū)是漏區(qū)，i區(qū)是溝道區(qū)，n+區(qū)是源區(qū)。漏極電壓用Vd表示，柵極電壓用Vs表示，柵極電壓用Vg表示。

隧穿場(chǎng)效應(yīng)管工作原理

隧穿場(chǎng)效應(yīng)管（TFET）的工作原理是帶間隧穿，其S可以突破60mV/decade的限制，而且TFET的Ioff非常低，所以TFET的工作電壓可以進(jìn)一步地降低。

如下圖中的虛線所示，在比較小的柵電壓條件下，TFET的Ion和Ion/Ioff都會(huì)大于傳統(tǒng)MOSFTE的Ion和Ion/Ioff。所以TFET被看做是非常有前景的低工作電壓和低功耗的邏輯CMOS器件。

除了使用多柵結(jié)構(gòu)提高器件的柵控能力和S小于60mV/decade的TFET，另一種減小集成電路功耗的方法是降低晶體管的工作電壓Vdd。

傳統(tǒng)的MOSFET等比例縮小原則假設(shè)閾值電壓也能等比例的縮小，但是實(shí)際上閾值電壓并不遵循這樣的原則。所以持續(xù)地減小工作電壓必然會(huì)導(dǎo)致柵極的驅(qū)動(dòng)能力（Vdd-Vth）降低。

當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)能力降低時(shí)，器件的驅(qū)動(dòng)電流Ion會(huì)減小。Ion的減小使器件的延遲（t=CVdd/Ion）增加或者器件的開(kāi)關(guān)速度減小。

由于InAs和GaAs的電子遷移率高于Si的電子遷移率，Ge和InSb的空穴遷移率高于Si的空穴遷移率，如果選用上述高遷移率的材料作為器件的溝道材料可以緩解（Vdd-Vth）的降低帶來(lái)的Ion減小，所以在高速度和低功耗的集成電路中，III-V材料和Ge都是很有前景的器件溝道材料。

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