1、新兴纳米电子器件：现状、挑战与未来展望

新兴纳米电子器件：现状、挑战与未来展望

1. 引言

电子设备时代已经来临，众多智能设备应运而生，极大地提高了人类的生活水平。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，推动了这些创新的发展。

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。起初，直到20世纪70年代，双极结型晶体管（BJT）满足了半导体行业的需求，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）则高效地服务于微电子市场至今。MOSFET的栅极端通过栅极与沟道之间的绝缘电介质控制源极和漏极之间沟道中的电流。MOSFET还有一个通常接地的第四端——体端。沟道区域的传导模式是漂移和扩散，源极和漏极重掺杂，沟道轻掺杂且杂质类型相反。为了使MOSFET作为开关工作，它必须有两种状态：关态和开态。理想开关的关态电流应为零，开态应有大量电流。

1.2 CMOS的出现

单个n - MOSFET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来将逻辑“0”转换为“1”。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，是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；动态功耗则在开关操作时产生，每次开关周期中，负载电容存储或释放的能量的一半会以热量形式耗散。静态功耗和动态功耗的计算公式如下：
- 静态功耗：$P_S = V_{DS} * I_{OFF}$