Tunnel Field-effec Transistors

8/18/2019 Tunnel Field-effec Transistors

1/20

TUNNEL FIELD-EFFECT TRANSAS ENERGY-EFFICIENT ELECTSWITCHES

Jorge LourenciRafael Deschamps Rosa


2/20

! Introdução

! TFET x MOSFET

! Física dos TFETs

! Tunelamento de banda a banda

! Eficiência energética

! Conclusões


3/20

! A miniaturização dos transistores CMOS trouxe grandes avanços para osmicroprocessadores

o Velocidade de chaveamentoo Densidadeo Funcionalidadeo Custo

! Mas tem-se agora dois grandes problemas para esta tecnologia" Dificuldade na redução da tensão de alimentação" Parar o aumento na corrente de fuga que degrada a taxa de

corrente 'on' e 'off' ( I on/ I off)! Juntos estes problemas são responsáveis por um elevado consumo de

potência


4/20

! Dispositivo de baixo consumo estático e subthreshold swing ! Pode trazer os níveis de tensão de alimentação para baixo dos 0.5V! Integração entre FETs de tunelamentos com a tecnologia CMOS pode

melhorar circuitos integrados de baixo consumo


5/20

! Conforme o tamanho do gate é reduzido, melhora-se o desempenho,mas requer uma diminuição em Vdd e Vt simultaneamente (man

o fator Vdd - V t alto)! Ioff aumenta exponencialmente pois S do MOSFET tem valor m

de 60mV/déc


6/20

! Uma maneira de reduzir a tensão de alimentação sem perda deperformance é diminuir o subthreshold swing médio

! Espera-se que dispositivos com S íngrime permitam a escala de


7/20

! Performance moderada (A), TFET apresenta maior para a mesma tensão, ou menor tensão para mesmoIon

! Alta performance (B), MOSFET oferece a melhorsolução

! Nota-se que os TFETs são menos eficientes que osMOSFETs para alta performance


8/20

! Inovações para diminuir S abaixo do limite térmico do MOSFETo Redução do n (modificação no mecanismo de injeção de

portadores)! Impact ionization! Quantum-mechanical band-to-band tunnelling (BTBT)

o Reduzir m para valores menores que 1! Negative-capacitance FET (NC-FET)! Micro- or nano-electromechanical (M/NEM) movable

electrodes in M/NEMFET or NEM relay devices


9/20

! Off State: o lim valência está abbanda de condubaixas correntes

! Com um tensãobanda de energi

!Um canal conduque a banda de vestiver acima dacondução da fonportadores podeestados vazios d

! Pelo fato de somque estiverem dcapazes de tune

distribuição de pfonte é limitada

! a parte de alta edistribuição de Fefetivamente coque o sistema eagindo como umconvencional a baixa.


10/20

! Um dos desafios nos TFETs é realizar altas correntes on

! Ion depende criticamente da probabilidade de transmissão T

! T pode ser calculado usando a aproximação de Wentzel-Kramer-Brillouin (WKB)


11/20

! TFETs têm potencial para baixa I off e pequeno S

! Geralmente possuem I on menor que nos MOSFETs

! Design com pequeno S médio, alto I on e sem alterar I off o Constante dielétrica ! altao Perfil de dopagem mais abrupto na junção de tunelamentoo Corpo finoo Alta dopagem da fonteo Gate duploo Oxido do gate alinhado com a região intrínsecao Menor comprimento da região intrínseca (e gate )


12/20

! Curva característica I d- Vg! Subthreshold swing de 42mV/déc

! Gate de 100 nm! Apresenta I off ~10–! Ion menor que 0.1


13/20

! Como melhorar I on?o Aplicando o mesmo design e fabricação do TFET em frações

molares de x= 0,15 % e 30 % de Si(1–x)Ge(x) sobre isolante (OI)

! Em otimizações recentes, valores de I on perto de 100 ! A ! m^obtidos


14/20

! Outra estratégia de melhorar I on é usar materiais com pequena massaefetiva

o Materiais do grupo III - V! Pouca massa de tunelamento epropiciam diferentes alinhamentosde banda


15/20

! Resultados experimentais indicam para InGaAs TFETs maioresmenores Vg do que com Si TEFTs são possíveis

! O primeiro InGaAs TFET alcançou I on= 20 ! A ! m^(–1) com S=/déc (Mookerjea)

! Melhor resultado obtido: I on=50 ! A ! m^(–1) com S=90mV/déc (

! Resultados ainda acima dos limites térmicos do MOSFET

!"#$% '''()*+,-./#01$/2#"*34+,1 5675+


16/20

! Esquemático de umaheteroestrutura InAs–Si dnanofio de diodo

! Característica Jd- V! As altas densidades de co

de tunelamento requiridasalcançadas com alto nível

dopagem! Cores diferentes se referediferentes densidades dedopagem


17/20


18/20

! Nanotubos de carbono e nanofitas de grafenoo Leve massa efetiva dos portadoreso Bandgap pequeno e diretoo Excelente controle eletrostático

! O primeiro TFET com S < 60mV/déc foi alcançado com estruturas denanotubos de carbono (Appenzeller, 2004)

!

Teoricamente o grafeno oferece os mesmos benefícios que os TFETs denanotubos de carbonoo Melhorando I on de centenas de ! A ! m^(–1)o Ioff de poucos pA ! m^(–1)o S < 20mV/déc


19/20

" Ge/InAs TFET transição mais abrupta do esestado 0

" Melhor ganho diferencial d Vout/d " Melhores margens de ruído

! Nível de energia de Fermi na fonte (design foram otimizados para maximizar a fdo clock

! TFETs mantém suas características mesmo e

temperaturas, pois o tunelamento faz com qumenos sensíveis a mudança de temperatura! TFETs oferecem solução para economia de e

SRAMo 700 vezes menos fuga de energia em

relação ao CMOS ( Vdd=0,3V)


20/20

! TFETs representam o candidato mais promissor para um steep-slope

switch, com potencial para uso com alimentação abaixo de 0.5Vo oferecem redução significante na dissipação de potência

! Designado para aplicações de baixa potência ( low-power )! O desafio é atingir alta performance (Ion elevador) sem degradar Ioff,

combinado com um S menor que 60mV por década por mais de 4décadas de corrente de dreno

!

Nanotubos de carbono e grafeno tem potencial para uso em TFETs dealta performance (largura de corpo ultrafina e características detransporte unidimensional)

o Existem desafios no uso de carbono em TFETso TFETs de hetero-estrutura

Documents

Tunnel Field-effec Transistors