隧穿场效应晶体管是什么_隧穿场效应晶体管的介绍

在传统MOSFET中，载流子从源极越过pn结势垒热注入到沟道中。而隧穿场效应晶体管（Tunneling Field-Effect Transistor或者TFET）的工作原理是带间隧穿（Band-to-band tunneling或者BTBT）。BTBT最早由Zener在1934年提出来。pn结在反偏状态下，当n区导带中某些未被电子占据的空能态与p区价带中某些被电子占据的能态具有相同的能量，而且势垒区很窄时，电子会从p区价带隧穿到n区导带。下图是一个典型的双栅结构的Si TFET示意图，其中tox表示栅介质的厚度，tsi表示体硅的厚度。TFET是一个p+-i-n+结构，i区上方是栅介质和栅电极。它通过栅极电压的变化调制i区的能带来控制器件的电流。

在理想状态下，一个p+区和n+区掺杂对称的TFET在不同极性的栅极电压偏置下可以表现出双极性。所以对于n型TFET来说，p+区是源区，i区是沟道区，n+区是漏区。对于p型TFET来说，p+区是漏区，i区是沟道区，n+区是源区。漏极电压用Vd表示，栅极电压用Vs表示，栅极电压用Vg表示。

隧穿场效应晶体管（TFET）的工作原理是带间隧穿，其S可以突破60mV/decade的限制，而且TFET的Ioff非常低，所以TFET的工作电压可以进一步地降低。如下图中的虚线所示，在比较小的栅电压条件下，TFET的Ion和Ion/Ioff都会大于传统MOSFTE的Ion和Ion/Ioff。所以TFET被看做是非常有前景的低工作电压和低功耗的逻辑CMOS器件。

除了使用多栅结构提高器件的栅控能力和S小于60mV/decade的TFET，另一种减小集成电路功耗的方法是降低晶体管的工作电压Vdd。传统的MOSFET等比例缩小原则假设阈值电压也能等比例的缩小，但是实际上阈值电压并不遵循这样的原则。所以持续地减小工作电压必然会导致栅极的驱动能力（Vdd-Vth）降低。当栅极驱动能力降低时，器件的驱动电流Ion会减小。Ion的减小使器件的延迟（t=CVdd/Ion）增加或者器件的开关速度减小。由于InAs和GaAs的电子迁移率高于Si的电子迁移率，Ge和InSb的空穴迁移率高于Si的空穴迁移率，如果选用上述高迁移率的材料作为器件的沟道材料可以缓解（Vdd-Vth）的降低带来的Ion减小，所以在高速度和低功耗的集成电路中，III-V材料和Ge都是很有前景的器件沟道材料。