隧道場效應晶體管原理

計算機包含有無數(shù)個晶體管，僅僅CPU內(nèi)就有不下10億個晶體管，這些小的晶體管通過打開和關(guān)閉來提供用0和1表示的二進制指令，從而讓我們能夠發(fā)送郵件、觀看視頻、移動鼠標等。晶體管使用的技術(shù)名叫“場效應”——通過該效應，電壓誘導一個電子隧道來激活晶體管，但是，場效應技術(shù)正在慢慢達到其極限，尤其在降低能耗方面已經(jīng)沒有什么施展的空間了。

不過，隧道場效應晶體管技術(shù)則基于迥然不同的原理。在隧道場效應晶體管中，兩個小槽被一個能量勢壘分開。在第一個小槽中，一大群電子在靜靜等待著，晶體管沒有被激活，當施加電壓時，電子就會通過能量勢壘并且移入第二個小槽內(nèi)，同時激活晶體管。

根據(jù)量子理論，有些電子縱使明顯缺乏足夠的能量來穿過能量勢壘，它們也能做到這一點，這就是量子隧道效應。通過減少能量勢壘的幅度，增強并利用量子效應將成為可能，因此，電子穿過勢壘所需要的能量會大大減少，晶體管的能耗也會因此而顯著下降。

　瑞士科學家表示，到2017年，利用量子隧道效應研制出的隧道場效應晶體管 有望將計算機和手機的能耗減少到百分之一。

瑞士洛桑理工大學的科學家阿德里安·約內(nèi)斯庫在為英國《自然》雜志撰寫的一篇文章中提出了上述看法，該文章是《自然》雜志有關(guān)硅的特別報道的一部分。約內(nèi)斯庫指出，瑞士洛桑理工大學、IBM位于瑞士的實驗室以及法國原子能委員會下屬的電子信息技術(shù)研究所等機構(gòu)的科學家都在進行與隧道場效應晶體管有關(guān)的研究。

約內(nèi)斯庫解釋道：“通過用隧道效應取代傳統(tǒng)場效應晶體管利用的場效應，我們能將施加于晶體管的電壓從1伏特減少到0.2伏特。從實用角度來考慮，電壓減少可將能耗減少到以前的百分之一。新一代微處理芯片將整合傳統(tǒng)的場效應技術(shù)和隧道場效應晶體管技術(shù)。IBM公司和法國電子信息技術(shù)研究所研制出的模型現(xiàn)已進入工業(yè)化生產(chǎn)階段的前期，我們有理由相信，到2017年，隧道場效應晶體管將進入大規(guī)模制造階段?！?

約內(nèi)斯庫認為，隧道場效應晶體管技術(shù)無疑是微處理器領(lǐng)域下一個巨大的技術(shù)進步。他說：“我們正在進行的一個研究項目是找到減少處理器能耗的辦法，隧道場效應晶體管有望幫助我們實現(xiàn)這個目標。最終我們要設(shè)計出超級小型化的零能耗的個人電子助手?！?100433B 解讀詞條背后的知識 孜然實驗室 兒童及成年人的科學知識、DIY、小實驗

黑磷隧道場效應晶體管TFET，更快的速度和超低功耗集成電路的突破

圖A：由黑磷2D材料的厚度變化形成的異質(zhì)結(jié)的光學圖像和能帶圖。圖B：隧道場效應晶體管和取決于厚度的帶隙的示意圖。C：特性轉(zhuǎn)移曲線顯示出陡峭的亞閾值擺幅和高導通電流。圖片：韓國科學技術(shù)高等研究院（KAIST）研究人員報告了一種黑磷晶體管，可以用作替代的超低功率開關(guān)。KAIST...

具有一個或多個在電氣上與溝道相互絕緣的柵極的場效應半導體器件。絕緣柵場效應晶體管是利用半導體表面的電場效應進行工作的。由于它的柵極處于絕緣狀態(tài)，所以輸入電阻極高，可達105Ω。它和結(jié)型場效應晶體管的不同之處在于導電機理和電流控制原理不同。結(jié)型場效應晶體管利用耗盡層的寬度變化來改變導電溝道的寬窄，達到控制漏極電流的目的。絕緣柵型場效應晶體管則利用半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少來改變導電溝道的寬窄，達到控制電流的目的。絕緣柵場效應晶體管中，常用二氧化硅(Si_O2)為金屬柵極和半導體之間的絕緣層即金屬一氧化物半導體，簡稱MOS(meta-loxide-sem_icon_ductor)管，因此絕緣柵場效應晶體管又稱MOSFET。它有N溝道和P溝道兩類，而每一類又分增強型和耗盡型兩種。增強型就是在uGS=0時，漏源之間沒有導電溝道;反之，在uGS=0時，漏源之間存在導電溝道的稱為耗盡型。

結(jié)型場效應晶體管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）：JFET是由p-n結(jié)柵極(G)與源極(S)和漏極(D)構(gòu)成的一種具有放大功能的三端有源器件。其工作原理就是通過電壓改變溝道的導電性來實現(xiàn)對輸出電流的控制。

對于結(jié)型場效應晶體管（JFET），最常見到的是耗盡型JFET（D-JFET），即在0柵偏壓時就存在有溝道 的JFET；一般，不使用增強型JFET（E-JFET）——在0柵偏壓時不存在溝道 的JFET。這主要是由于長溝道E-JFET在使用時較難以產(chǎn)生出導電的溝道、從而導通性能不好的緣故。不過，由于高速、低功耗電路中應用的需要，有時也需要采用E-JFET。

JFET導電的溝道在體內(nèi)。耗盡型和增強型這兩種晶體管在工藝和結(jié)構(gòu)上的差別主要在于其溝道區(qū)的摻雜濃度和厚度。D-JFET的溝道的摻雜濃度較高、厚度較大，以致于柵pn結(jié)的內(nèi)建電壓不能把溝道完全耗盡；而E-JFET的溝道的摻雜濃度較低、厚度較小，則柵pn結(jié)的內(nèi)建電壓即可把溝道完全耗盡。

但是，對于短溝道E-JFET，情況則有所不同，因為這種晶體管的漏極電壓可以作用到源極附近，使得溝道中的勢壘降低，所以能夠形成導電溝道。這種E-JFET從本質(zhì)上來說也就是靜電感應晶體管。

在導電機理上與JFET相同的場效應晶體管就是Schottky柵極場效應晶體管（MESFET），這里只是用金屬-半導體接觸的Schottky結(jié)代替了p-n結(jié)作為柵極。

另外還有一種場效應晶體管，就是高電子遷移率晶體管（HEMT），這種器件在結(jié)構(gòu)上與MESFET類似，但是在工作機理上卻更接近于MOSFET。

此外，MOSFET的襯偏效應實際上也就是JFET的一種作用。