碳納米晶體管

10納米以下的碳納米晶體管是什么概念，該技術(shù)解決的所謂的“短溝道效應(yīng)”應(yīng)該如何理解，個(gè)人比較喜歡研究計(jì)算機(jī)芯片的微結(jié)構(gòu)的理論知識(shí)，比較關(guān)注這個(gè)最新的新聞。10納米的碳納米晶體管是什么概念簡(jiǎn)單的解釋就是在處理器芯片的微結(jié)構(gòu)中，電子是束縛在一個(gè)個(gè)類似超級(jí)復(fù)雜的輸水管道中，當(dāng)管道太窄或者太短的情況下，電子容易失控，失控后的電子將不再受到元器件設(shè)計(jì)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這樣一來就無法完成既定的邏輯元算導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)誤的結(jié)果，而一直以來使用的單晶硅作為管道的材料已經(jīng)不能滿足更小尺寸的管道的制作了，因此IBM公司使用碳納米材料，制作的厚度約1～2納米，直徑9納米的管道卻解決了這個(gè)芯片微結(jié)構(gòu)的巨大難題。

類似“管道”的微結(jié)構(gòu)，電子就在這些類似“管道”結(jié)構(gòu)里面運(yùn)動(dòng)（90納米）納米碳管纖維納米晶體管是由直徑10個(gè)原子大小的碳原子組成的小圓柱結(jié)構(gòu)，比當(dāng)時(shí)基于硅的晶體管小500倍。這是一種生成大量納米管晶體的新的批量加工技術(shù)。芯片制造商預(yù)計(jì)10到20年后，基于硅的芯片不久將無法做得更小。而納米碳管則是硅的有力競(jìng)爭(zhēng)者。納米碳管是由碳原子構(gòu)成的筒狀結(jié)構(gòu)，碳原子的直徑只及頭發(fā)的五萬分之一，但碳原子之間以強(qiáng)大的碳碳鍵相結(jié)合，這些特性使得納米碳管成為超輕超強(qiáng)材料。很多科研小組都致力研發(fā)小尺寸的晶體管，以切合未來計(jì)算技術(shù)對(duì)于更小、更密集的集成電路的需要。但現(xiàn)有的硅基晶體管一旦尺寸縮小，就會(huì)失去有效控制電流的能力，即產(chǎn)生所謂的“短溝道效應(yīng)”。18納米的碳納米管18納米的碳納米管模型在新研究中，科研人員舍棄硅改用單壁碳納米管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。碳納米管具有出色的電氣性能和僅為直徑1納米至2納米的超薄“身軀”，這使其在極短的通道長(zhǎng)度內(nèi)也能保持對(duì)電流的閘門控制，避免“短溝道效應(yīng)”的生成。而IBM團(tuán)隊(duì)研制的10納米以下碳納米管晶體管首次證明了這些優(yōu)勢(shì)。

科學(xué)家表示，理論曾預(yù)測(cè)超薄的碳納米管將失去對(duì)于電流的閘門控制，或減少輸出時(shí)的漏極電流飽和，而這都會(huì)導(dǎo)致性能的降低。此次研究的最大意義在于，證明了10納米以下的碳納米管晶體管也能表現(xiàn)良好，且優(yōu)于同等長(zhǎng)度性能最佳的硅基晶體管，這標(biāo)志著碳納米管可成為規(guī)模化生產(chǎn)晶體管的可行備選。

工程師在同一個(gè)納米管上制造出若干個(gè)獨(dú)立的晶體管，其中最小一個(gè)的通道長(zhǎng)度僅為9納米，而這個(gè)晶體管也表現(xiàn)出了極好的轉(zhuǎn)換行為和漏極電流飽和，打破了理論的預(yù)言。當(dāng)與性能最佳，但設(shè)計(jì)和直徑不同的10納米以下硅基晶體管進(jìn)行對(duì)比時(shí)，9納米的碳納米管晶體管具有的直徑歸一化(漏)電流密度，可達(dá)到硅晶體管的4倍以上。而且其所處的工作電壓僅為0.5伏，這對(duì)于降低能耗十分重要。此外，超薄碳納米管晶體管的極高效能也顯示出了其在未來計(jì)算技術(shù)中大規(guī)模使用的潛力。

下面解釋一下什么叫做短溝道效應(yīng)，簡(jiǎn)單理解就是要求管道里面的電子流無能按照既定方向流動(dòng)，或者漏出管道的情況：英文名稱：Short-channeleffects

解釋一：短溝道效應(yīng)主要是指閾值電壓與溝道相關(guān)到非常嚴(yán)重的程度。

解釋二：溝道長(zhǎng)度減小到一定程度后出現(xiàn)的一系列二級(jí)物理效應(yīng)統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)。

包括：

（1）影響閾值電壓的短溝、窄溝效應(yīng)

溝道長(zhǎng)度減小到一定程度后,源、漏結(jié)的耗盡區(qū)在整個(gè)溝道中所占的比重增大,柵下面的硅表面形成反型層所需的電荷量減小,因而閾值電壓減小。同時(shí)襯底內(nèi)耗盡區(qū)沿溝道寬度側(cè)向展寬部分的電荷使閾值電壓增加。當(dāng)溝道寬度減小到與耗盡層寬度同一量級(jí)時(shí)，閾值電壓增加變得十分顯著。短溝道器件閾值電壓對(duì)溝道長(zhǎng)度的變化非常敏感。

（2）遷移率場(chǎng)相關(guān)效應(yīng)及載流子速度飽和效應(yīng)

低場(chǎng)下遷移率是常數(shù),載流子速度隨電場(chǎng)線性增加。高場(chǎng)下遷移率下降,載流子速度達(dá)到飽和,不再與電場(chǎng)有關(guān)。速度飽和對(duì)器件的影響一個(gè)是使漏端飽和電流大大降低，另一個(gè)是使飽和電流與柵壓的關(guān)系不再是長(zhǎng)溝道器件中的近平方關(guān)系，而是線性關(guān)系。

（3）影響器件壽命的熱載流子效應(yīng)

器件尺寸進(jìn)入深亞微米溝長(zhǎng)范圍，器件內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度隨器件尺寸的減小而增強(qiáng),特別在漏結(jié)附近存在強(qiáng)電場(chǎng)，載流子在這一強(qiáng)電場(chǎng)中獲得較高的能量，成為熱載流子。熱載流子在兩個(gè)方面影響器件性能:1)越過Si-SiO2勢(shì)壘，注入到氧化層中，不斷積累，改變閾值電壓，影響器件壽命；2)在漏附近的耗盡區(qū)中與晶格碰撞產(chǎn)生電子空穴對(duì)，對(duì)NMOS管，碰撞產(chǎn)生的電子形成附加的漏電流，空穴則被襯底收集，形成襯底電流，使總電流成為飽和漏電流與襯底電流之和。襯底電流越大，說明溝道中發(fā)生的碰撞次數(shù)越多，相應(yīng)的熱載流子效應(yīng)越嚴(yán)重。熱載流子效應(yīng)是限制器件最高工作電壓的基本因素之一。

（4）亞閾特性退化，器件夾不斷

亞閾區(qū)泄漏電流使MOSFET器件關(guān)態(tài)特性變差，靜態(tài)功耗變大。在動(dòng)態(tài)電路和存儲(chǔ)單元中，它還可能導(dǎo)致邏輯狀態(tài)發(fā)生混亂。因而由短溝道引起的漏感應(yīng)勢(shì)壘降低(DIBL)效應(yīng)成為決定短溝道MOS器件尺寸極限的一個(gè)基本物理效應(yīng)。

DIBL效應(yīng)是指，當(dāng)漏極加上高電壓時(shí)。由于柵很短，源極同時(shí)受到漏極電場(chǎng)的影響，在此電場(chǎng)影響下，源結(jié)勢(shì)壘降低。且漏極耗盡層擴(kuò)展，甚至跟源結(jié)的耗盡區(qū)相連，至使器件無法關(guān)斷。

為降低二級(jí)物理效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)短溝道器件，要在器件結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)。一方面設(shè)法降低溝道電場(chǎng)，尤其是漏端電場(chǎng)；另一方面要消除PN結(jié)之間、器件之間的相互作用。因此出現(xiàn)了輕摻雜漏MOS結(jié)構(gòu)(LDD)和絕緣襯底上硅結(jié)構(gòu)(SOI)。既然說道了這么深刻的問題，自然要說一說，最近有可能實(shí)現(xiàn)的新處理器，Intel的3