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幾十年來，傳統(tǒng)晶體管一直在不斷地小型化，這是由摩爾定律的總體趨勢所決定的。然而，隨著我們越來越接近這種縮小規(guī)模的物理邊界，相關(guān)成本飆升，而量子問題也帶來了重大障礙。

為了繼續(xù)獲得縮放的性能優(yōu)勢而不實(shí)際縮小元件尺寸，研究人員現(xiàn)在正在追求一種新概念：可重構(gòu)晶體管。本周，隆德大學(xué)的研究人員宣布了一項(xiàng)研究，描述了使用鐵電材料的可重構(gòu)晶體管的所取得的突破。

毫米級芯片上的可重構(gòu)晶體管。圖片由安東·佩爾森/隆德大學(xué)提供

在這篇文章中，我們將討論可重構(gòu)晶體管、鐵電材料和隆德大學(xué)的新型晶體管原型的優(yōu)點(diǎn)。

(資料圖片)

可重構(gòu)晶體管

隨著摩爾定律放緩至接近停止，研究人員現(xiàn)在正在考慮將可重構(gòu)晶體管作為技術(shù)的新范式轉(zhuǎn)變。

在傳統(tǒng)晶體管中，標(biāo)準(zhǔn)器件屬性，例如極性（n 型和 p 型）和閾值電壓，是在制造過程中預(yù)先定義的，之后無法更改。雖然該方案到目前為止已經(jīng)奏效，但它最終限制了設(shè)備的靈活性及其對不斷變化的需求或條件的適應(yīng)性。

可重構(gòu) FET 的擬議符號和 IV 曲線。圖片由Science Direct提供

另一方面，可重構(gòu)晶體管是一種特殊形式的晶體管，即使在制造后也可以改變這些屬性?？茖W(xué)家可以使用控制器件特性的特殊材料和結(jié)構(gòu)來重新配置晶體管的特性。例如，單個(gè)可重構(gòu)晶體管有可能執(zhí)行多個(gè)傳統(tǒng)晶體管的功能，從而形成更緊湊、更高效的電路。此外，可重構(gòu)晶體管可用于創(chuàng)建更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的電子系統(tǒng)，能夠根據(jù)不斷變化的條件或要求調(diào)整其行為。

與傳統(tǒng)晶體管不同，可重構(gòu)晶體管可以在制造后改變其屬性，從而提供前所未有的靈活性和控制力。這種適應(yīng)性對于開發(fā)更小、更節(jié)能的電路至關(guān)重要，這些電路可以增強(qiáng)內(nèi)存存儲和計(jì)算能力。

鐵電材料：可重構(gòu)晶體管的關(guān)鍵？

為了追求商業(yè)上可行的可重構(gòu)晶體管，鐵電 FET(FeFET)是一項(xiàng)正在大力投資的技術(shù)。

鐵電材料是一類表現(xiàn)出受外部電場影響的電極化的材料。值得注意的是，即使移除外加電壓后，F(xiàn)eFET 的極化仍保持恒定。在可重構(gòu)晶體管的背景下，鐵電材料用于創(chuàng)建“記憶”功能，其中材料的極化變化可用于改變晶體管的特性。

FeFET 的器件結(jié)構(gòu)和原理圖。圖片由普渡大學(xué)提供

改變和記住晶體管狀態(tài)的能力為可重構(gòu)性開辟了廣泛的可能性。例如，可以根據(jù)電路的需要重新配置單個(gè)晶體管以在不同時(shí)間執(zhí)行不同的功能?；蛘撸芍貥?gòu) FeFET 可以通過調(diào)節(jié)鐵電極化并向柵電極施加電壓脈沖來實(shí)現(xiàn)閾值電壓的偏移。

最終，這可能會導(dǎo)致更緊湊、更高效的電路，甚至是能夠適應(yīng)不斷變化的條件或要求的新型電子設(shè)備。

研究人員開發(fā)出鐵電隧道 FET

在隆德大學(xué)的新研究中，研究小組研究了基于鐵電材料的新型可重構(gòu)晶體管。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了直接位于結(jié)點(diǎn)附近的鐵電“顆?！?，可以控制晶體管中的隧道結(jié)。這些顆粒的尺寸約為 10 納米，可以在個(gè)體水平上進(jìn)行控制；以前的研究只能控制整個(gè)谷物組。

(A) 原理圖符號和 (b) 鐵 TFET 不同配置狀態(tài)下的時(shí)域波形。

這項(xiàng)研究最終開發(fā)出了一種新型晶體管，稱為鐵 TFET（隧道 FET）。新器件在較小的面積 (~0.01 μm 2 )內(nèi)提供顯著較低的電源電壓（低至 50 mV），同時(shí)在目標(biāo)頻率下保持高輸出功率集中度。研究人員表示，這是由于該器件的垂直納米線結(jié)構(gòu)以及各種電源電壓下傳輸曲線的拋物線形狀，無需濾波器即可大幅抑制諧波。

研究人員還通過設(shè)計(jì)柵極/源極重疊結(jié)構(gòu)，在鐵 TFET 中實(shí)現(xiàn)了負(fù)跨導(dǎo) (NTC)。NTC 行為可以通過改變鐵電柵極氧化物的極化來重新配置，從而導(dǎo)致 IV 曲線中峰值電壓的變化和真正的可重構(gòu)性。

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