7.7: Майбутнє електроніки?

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31900

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Безпосередній шлях зрозумілий: ми ще не досягли меж масштабування, або фундаментальних меж польових транзисторів. Електронна промисловість підштовхне до менших масштабів довжини, щоб мінімізувати продукт затримки живлення. Він також буде прагнути використовувати балістичну провідність у низькорозмірних матеріалах, тим самим збільшуючи швидкість перемикання.

Цілком реально очікувати, що майбутній MOSFET може володіти:

балістичний транспорт і робота на квантовій межі провідності
включення і виключення при оптимальному підпороговому нахилі FET kT/Q
масштабування всіх розмірів з товщиною ізолятора затвора ~ 1 нанометр

Традиційно значні зусилля з розробки матеріалів були присвячені підвищенню мобільності транзисторних каналів. Але оскільки пристрої вже знаходяться на балістичній межі, електростатична конструкція нанотранзисторів буде ймовірним фокусом розвитку матеріалів. Ми бачили, що хорошого електростатичного контролю каналу можна досягти за рахунок максимізації ємності затвора. Наприклад, з нанодротовим каналом затвор міг бути реалізований у вигляді концентричного кільця. Або канал, який складається з одного атомного шару (наприклад, аркуша графеми) може бути кращим з електростатичної точки зору більш товстого шару кремнію, хоча обидва будуть працювати на балістичній межі. Виготовлення таких передових конструкцій може зажадати значної кількості подальших розробок.

Крім цього, здається, є лише одна велика слабкість звичайних технологій FET. Існує велика ймовірність того, що нові технології продемонструють підпороговий нахил набагато перевершує Kt/Q. Як ми бачили, це дозволить різко знизити робочу напругу, а отже, і значно знизити розсіювання потужності.

З фундаментальної точки зору, всі транзистори, які працюють в термодинамічній рівновазі, повинні проявляти різницю в енергії між їх включенням і вимкненням станів. Наприклад, різниця потенціалів енергії між станами ON та OFF FET є\(\Delta E = \frac{1}{2}CV^{2}\), що також може бути виражено як\(\Delta E = \frac{1}{2}QV\), де Q - загальний заряд на конденсаторі затвора, а V - напруга живлення. Фундаментальною межею в вимкненому стані струму є ймовірність теплового збудження з вимкненого стану в стан ON. Тобто:

\[ I_{OFF} = I_{ON}\exp \left[-\frac{1}{2}QV/kT \right] \label{7.7.1} \]

де\(I_{ON}\) - максимальний струм, пов'язаний зі станом ON. Але як ми бачили, сучасні транзистори не працюють на цій межі, оскільки кожен електрон в каналі незалежний. На відміну від Equation\ ref {7.7.1}, FET наступним чином:

\[ I_{OFF} = I_{ON}\exp \left[-qV/kT \right] \label{7.7.2} \]

За винятком транзистора, який працює з одним електроном в каналі, різниця істотна: підпороговий нахил kt/Q проти kt/Q. Дійсно, в даний час розміри транзисторів\(Q \gg 10^{3}q\).