Методи за увеличаване на стръмността на транзистора

Стръмността на транзистора е важен параметър, отчитащ неговата енергийна ефективност. Тя представлява изменението на изходния ток спрямо изменението на входното напрежение. При сега използваните транзистори стръмността е 60mV/dec, т.е. ако входното напрежение се измени с 60mV (0,06V), изходният ток се изменя с фактор 10 (10 пъти). Тази стръмност се постига чрез p-n-преход между два вида полупроводник и полеви ефект в полупроводник.

1. 
   Потенциална бариера: 0,32V,
   
2. 
   Стъпка на изменение на входното напрежение: 60mV,
   
3. 
   Прагово напрежение, при което преходът преминава в състояние „включен”: 0,6V (ток: 1mA),
   
4. 
   Отношение ток на включване/ток на изключване:
   

5. 
   Ток на утечка в състояние „изключен”: 1μА,
   
6. 
   Напрежение за достигане на праговото напрежение: 300 mV (0,3V).
   

При полеви ефект в полупроводник се използва протичането на ток под действие на електрично поле. Феноменът се прилага при полеви транзистор с p-n-преход. В полупроводниковия кристал са създадени два срещуположни прехода, свързани в обратна посока. Целта е да се регулира токът през полупроводника. Праговото напрежение отбелязва състояние „изключен”. Токът на утечка е много малък, но транзисторът е енергоемък – напрежението за достигане на прагово напрежение е 3V. Този проблем се решава чрез MOSFET транзистор с индуциран канал. Чрез изолиращ окисен слой и срещуположни p-n-преходи в права посока се намалява консумацията. Праговото напрежение сочи състояние „включен”. В състояние „изключен” липсва ток на утечка, защото няма изграден канал. За да се намали още разходът на енергия, фабрично се създава канал между двата p-n-прехода (MOSFET с вграден канал). P-n-преходът в права посока обеднява канала и праговото напрежение сочи състояние „изключен”. Въпреки това токът на утечка е по-голям от този при MOSFET с индуциран канал (Велчев, 2006; Вълков, 2006; Колева, 2010).

1. 
   Стъпка на изменение на входното напрежение,
   
2. 
   Стойност на праговото напрежение,
   
3. 
   Ток на утечка при състояние „изключен”.
   

1. 
   Елементи с нови конструкции
   

1. 
   Тунелен полеви транзистор (Tunneling Field Effect Transistor - TFET)
   

малка стъпка на входното напрежение. Токът на утечка при състояние „изключен” се възпрепятства от „истинския” слой.

При транзистора с два гейта (Adee, 2007) първият е изпъкнал както при конвенционалните MOSFET, а вторият се намира под канала. Целта е да се ограничи утечката на ток в състояние „изключен”. На Фиг.2 е показана конструкция на транзистор с два гейта.

Fin-FET (Adee, 2007) представлява триизмерна реализа-ция на транзистора с два гейта. Сорсът, дрейнът и гейтът са издигнати над подложката. Каналът сорс-дрейн е от материала на подложката, т.е. няма p-n-преход, за разлика от конвенционалните MOSFET. Силициевият кристал е разположен върху изолиращ материал. Този клас транзистори се нарича мултигейт, защото гейтът обграща канала от три страни вместо от една. Каналът е изолиран от гейта чрез окисен слой. На Фиг.3 е показана конструкция на Fin-FET.

В графинов баристор (Yang, 2012) е създаден Шотки-преход (преход метал-полупроводник, графинът има метален характер) между графин и хидриран силиций. Липсата на ниво на Ферми (забранена зона) между двата материала позволява височината на потенциалната бариера да се намали до 0,2V при стойност от 0,32V за p-n-преход. Вместо каналът да се обогатява и обеднява чрез p-n-преход, той се обогатява и обеднява чрез лист графин, разположен върху част от него. Резултатът е намаляване на стъпката на входното напрежение и следователно понижаване на праговото напрежение. На Фиг.5 е показана конструкция на графинов баристор с n-канал. Статичните характеристики наподобяват тези на MOSFET с вграден р-канал.

Фототранзисторът с графин и квантови точки (Konstantatos, 2012) се състои от един или два слоя графин, покрити с тънък филм колоидни квантови точки от оловен сулфид (PbS). Абсорбирането на светлина в слоя квантови точки създава електрични заряди, които се предават към графин. Там те циркулират много пъти поради високата мобилност на зарядите и дългия жизнен цикъл в слоя с квантови точки. В резултат на това се получава усилване (Io/II) 10⁸ електрона за фотон. Това води до увеличаване на изходния ток при една и съща входна мощност от 10^-2 A/W при чисто графиновите детектори до 10⁷ A/W при транзистор с графин и квантови точки. Това означава, че стъпката на входното напрежение може да се намали, а следователно – и праговото напрежение за поддържане на необходимото отношение Ion/Ioff. На Фиг.6 е показана конструкция на фототранзистор с графин и квантови точки.

Фототранзисторът с органични молекули (Faramarzi, 2012) съдържа нановлакна, самосглобяващи се между два метални електрода – всеки от никел и злато. Използва се разтвор на триариламин под едновременното действие на бяла светлина за 10 секунди и електрично поле. Органичните молекули се подреждат в редица, формирайки нановлакна, паралелни на полето. Ширината на канала е 80nm. Отчита се стойност на проводимостта G > 5.10³ S/nm. На Фиг.7 е показана конструкция на фототранзистор с органични молекули.

1. 
   Въвеждане на нови конструкции – без p-n-преход – с изолиращ слой между p- и n-силиций или само с един вид полупроводник;
   
2. 
   Използване на нови материали – графин, хидриран силиций, квантови точки и органични молекули.
   

Възможно е управляващото напрежение да се замени със светлина. По този начин се усъвършенстват основните параметри: стъпка на изменение на входното напрежение, прагово напрежение и ток на утечка при състояние „изключен”. Бъдещата работа по темата включва симулационен анализ с подходящ софтуер.

Вълков, С., Ямаков, И., Дойчинова Р., Христов, М., Василева, Т., 2006, Електронни и полупроводникови елементи и интегрални схеми, Издателство „Техника”, София

Колева, Е., 2010, Индустриална електроника, Издателство Екс-Прес, Габрово

Adee, S., 2007, Transistors go vertical, http://spectum.ieee.org/semiconductors/design/transistors-go-vertical

Faramarzi, V. et al., 2012, Llight-triggered self-construction of supramolecular organic nanowires as metallic interconnects, Nature Chemistry, 4, pp. 485-490

Konstantatos, G. et al. 2012, Hybrid graphene-quantum dot phototransistors with ultrahigh gain, Nature Nanotechnology 7, pp. 363-368

Seabaugh, A., 2013, The Tunneling Transistor, http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/the-tunneling-transistor

Yang, H. et al., 2012, Graphene Barristor, a Triode Device with a Gate-Controlled Schottky Barrier, Science, 1 June 2012: vol.336, №6085, pp. 1140-1143