隧道场效应晶体管

计算机包含有无数个晶体管，仅仅CPU内就有不下10亿个晶体管，这些小的晶体管通过打开和关闭来提供用0和1表示的二进制指令，从而让我们能够发送邮件、观看视频、移动鼠标等。晶体管使用的技术名叫“场效应”——通过该效应，电压诱导一个电子隧道来激活晶体管，但是，场效应技术正在慢慢达到其极限，尤其在降低能耗方面已经没有什么施展的空间了。

不过，隧道场效应晶体管技术则基于迥然不同的原理。在隧道场效应晶体管中，两个小槽被一个能量势垒分开。在第一个小槽中，一大群电子在静静等待着，晶体管没有被激活，当施加电压时，电子就会通过能量势垒并且移入第二个小槽内，同时激活晶体管。

根据量子理论，有些电子纵使明显缺乏足够的能量来穿过能量势垒，它们也能做到这一点，这就是量子隧道效应。通过减少能量势垒的幅度，增强并利用量子效应将成为可能，因此，电子穿过势垒所需要的能量会大大减少，晶体管的能耗也会因此而显著下降。

约内斯库认为，隧道场效应晶体管技术无疑是微处理器领域下一个巨大的技术进步。他说：“我们正在进行的一个研究项目是找到减少处理器能耗的办法，隧道场效应晶体管有望帮助我们实现这个目标。最终我们要设计出超级小型化的零能耗的个人电子助手。”2100433B 解读词条背后的知识 孜然实验室 儿童及成年人的科学知识、DIY、小实验

黑磷隧道场效应晶体管TFET，更快的速度和超低功耗集成电路的突破

图A：由黑磷2D材料的厚度变化形成的异质结的光学图像和能带图。图B：隧道场效应晶体管和取决于厚度的带隙的示意图。C：特性转移曲线显示出陡峭的亚阈值摆幅和高导通电流。图片：韩国科学技术高等研究院（KAIST）研究人员报告了一种黑磷晶体管，可以用作替代的超低功率开关。KAIST...

　瑞士科学家表示，到2017年，利用量子隧道效应研制出的隧道场效应晶体管 有望将计算机和手机的能耗减少到百分之一。

瑞士洛桑理工大学的科学家阿德里安·约内斯库在为英国《自然》杂志撰写的一篇文章中提出了上述看法，该文章是《自然》杂志有关硅的特别报道的一部分。约内斯库指出，瑞士洛桑理工大学、IBM位于瑞士的实验室以及法国原子能委员会下属的电子信息技术研究所等机构的科学家都在进行与隧道场效应晶体管有关的研究。

约内斯库解释道：“通过用隧道效应取代传统场效应晶体管利用的场效应，我们能将施加于晶体管的电压从1伏特减少到0.2伏特。从实用角度来考虑，电压减少可将能耗减少到以前的百分之一。新一代微处理芯片将整合传统的场效应技术和隧道场效应晶体管技术。IBM公司和法国电子信息技术研究所研制出的模型现已进入工业化生产阶段的前期，我们有理由相信，到2017年，隧道场效应晶体管将进入大规模制造阶段。”

具有一个或多个在电气上与沟道相互绝缘的栅极的场效应半导体器件。绝缘栅场效应晶体管是利用半导体表面的电场效应进行工作的。由于它的栅极处于绝缘状态，所以输入电阻极高，可达105Ω。它和结型场效应晶体管的不同之处在于导电机理和电流控制原理不同。结型场效应晶体管利用耗尽层的宽度变化来改变导电沟道的宽窄，达到控制漏极电流的目的。绝缘栅型场效应晶体管则利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少来改变导电沟道的宽窄，达到控制电流的目的。绝缘栅场效应晶体管中，常用二氧化硅(Si_O2)为金属栅极和半导体之间的绝缘层即金属一氧化物半导体，简称MOS(meta-loxide-sem_icon_ductor)管，因此绝缘栅场效应晶体管又称MOSFET。它有N沟道和P沟道两类，而每一类又分增强型和耗尽型两种。增强型就是在uGS=0时，漏源之间没有导电沟道;反之，在uGS=0时，漏源之间存在导电沟道的称为耗尽型。

结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）：JFET是由p-n结栅极(G)与源极(S)和漏极(D)构成的一种具有放大功能的三端有源器件。其工作原理就是通过电压改变沟道的导电性来实现对输出电流的控制。

对于结型场效应晶体管（JFET），最常见到的是耗尽型JFET（D-JFET），即在0栅偏压时就存在有沟道 的JFET；一般，不使用增强型JFET（E-JFET）——在0栅偏压时不存在沟道 的JFET。这主要是由于长沟道E-JFET在使用时较难以产生出导电的沟道、从而导通性能不好的缘故。不过，由于高速、低功耗电路中应用的需要，有时也需要采用E-JFET。

JFET导电的沟道在体内。耗尽型和增强型这两种晶体管在工艺和结构上的差别主要在于其沟道区的掺杂浓度和厚度。D-JFET的沟道的掺杂浓度较高、厚度较大，以致于栅pn结的内建电压不能把沟道完全耗尽；而E-JFET的沟道的掺杂浓度较低、厚度较小，则栅pn结的内建电压即可把沟道完全耗尽。

但是，对于短沟道E-JFET，情况则有所不同，因为这种晶体管的漏极电压可以作用到源极附近，使得沟道中的势垒降低，所以能够形成导电沟道。这种E-JFET从本质上来说也就是静电感应晶体管。

在导电机理上与JFET相同的场效应晶体管就是Schottky栅极场效应晶体管（MESFET），这里只是用金属-半导体接触的Schottky结代替了p-n结作为栅极。

另外还有一种场效应晶体管，就是高电子迁移率晶体管（HEMT），这种器件在结构上与MESFET类似，但是在工作机理上却更接近于MOSFET。

此外，MOSFET的衬偏效应实际上也就是JFET的一种作用。