1、新兴纳米电子器件：原理、挑战与未来展望

新兴纳米电子器件：原理、挑战与未来展望

1. 引言

电子设备时代的到来，催生了众多智能设备，极大地提升了人类的生活水平。这些智能设备在工程、健康、教育、战争、娱乐等各个领域都产生了深远影响。而晶体管作为这些智能设备的基本构建模块，引领了这些创新的发展。

1.1 晶体管作用

晶体管由肖克利、巴丁和布拉顿在1947年发明，是一种三端设备，通过第三端电压控制另外两端之间的电流。最初，双极结型晶体管（BJT）在半导体行业中发挥了重要作用，但如今主要用于射频电路。而金属 - 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）则在微电子市场中占据主导地位。MOSFET的栅极端通过绝缘电介质控制源极和漏极之间通道中的电流，还有一个通常接地的体端。其通道区域的传导模式为漂移和扩散，源极和漏极重掺杂，通道轻掺杂且杂质相反。MOSFET作为开关需要具备关态和开态，理想开关在关态电流为零，开态有大量电流。

1.2 CMOS的出现

n - MOSFET单独无法完成基本反相器（非门）的完整逻辑功能，需要互补的p - MOS。互补金属氧化物半导体（CMOS）能够实现基本反相器的完整逻辑功能，成为过去四十年来微电子行业的支柱。然而，CMOS反相器存在静态和动态两种功耗。静态功耗由CMOS反相器中p - MOS和n - MOS在亚阈值状态下的有限泄漏电流引起，动态功耗则在开关切换时产生。

1.3 CMOS的缩放

为了降低晶体管的功耗，需要降低静态和动态功耗。静态功耗可通过降低关态电流和电源电压来降低，但降低电源电压会降低开态电流，因此需要高效降低。动态功耗可通过降低负载电容$C_L$、工作频率$f$和开关概率$α$来降低，但工作频