1、新兴纳米电子器件：原理、挑战与应用前景

新兴纳米电子器件：原理、挑战与应用前景

1. 引言

电子设备时代的到来，催生了众多智能设备，极大改善了人类生活。而这些智能设备的基础构建模块——晶体管，更是推动了诸多创新。

1.1 晶体管作用

晶体管由Shockley、Bardeen和Brattain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间的电流。早期，双极结型晶体管（BJT）服务于半导体行业，如今多用于射频电路。金属 - 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）则在微电子市场表现出色。MOSFET的栅极端通过绝缘电介质控制源极和漏极间的沟道电流，还有一个通常接地的体端。其沟道区域的传导模式为漂移和扩散，源极和漏极重掺杂，沟道轻掺杂且杂质相反。MOSFET作为开关需具备关态和开态，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无法单独实现基本反相器（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）能够完成这一功能，成为过去四十年来微电子行业的支柱。不过，CMOS反相器存在静态和动态功耗。静态功耗由亚阈值状态下p - MOS和n - MOS的有限泄漏电流引起，动态功耗则在开关切换时产生。静态功耗公式为 (P_S = V_{DS} * I_{OFF})，动态功耗公式为 (P_D = V_{DS}^2 * C_L * f * \alpha) ，其中 (C_L) 为负载电容，(f) 为工作频率，(\alpha) 为开关概率。

1.3 CMOS的缩放

为降低晶体管功耗，可减少静态和动态功耗。降低静态功耗可减少关态电流和电源电压，但降低电源电压会降低开态电流