隧穿场效应晶体管

Tunnel Field-Effect Transistor也称 TFET、隧穿晶体管

以栅控制的源端带间隧穿代替传统热发射注入，改变开关电流的形成方式。

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约 1 分钟

TFET用栅压控制已占据价带态与空导带态的能量重叠和隧穿路径；可能获得较陡的局部开关特性，但驱动电流、漏电和工艺精度仍需一起验证。

系统理解

约 2 分钟

隧穿场效应晶体管是三端受控器件，不等同于已有的两端隧道二极管。典型结构把源沟道结作为带间隧穿注入位置，栅改变能带和势垒，使电流不再只受热发射分布控制。

陡峭的某一段曲线不自动等于可用的低压逻辑性能。材料带隙、有效质量、栅对结的控制、源漏不对称和缺陷辅助通道，共同决定可用电流窗口；这里不把低于60 mV/dec写成无条件指标或突破所有热限制的口号。

承接MOSFET、短沟道控制与隧道二极管，进入栅控制带间注入这一独立开关机制。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
S	mV/dec	规定电流窗口与偏置下的亚阈值摆幅
λ	nm	模型中的隧穿势垒特征长度
Eg	eV	所选隧穿路径相关的带隙或能带间隔

常见误区

TFET就是在MOSFET上换一种名称。
测得一个很小的最小摆幅就证明可用电流范围内全部优于MOSFET。
隧穿晶体管与负电容晶体管使用同一种陡峭开关机制。

工程深入

13 条结论 · 1 道例题

注入与能带控制

定义

核心控制量是源沟道带间注入而非只改变沟道电阻

典型TFET由栅控制源沟道结附近的带间隧穿，让一个能带中的已占据态向另一能带中的可用态注入载流子。它与两端隧道二极管共享带间隧穿物理，却多了栅对注入结的控制。^{1, 2}

成立条件 限定带间隧穿TFET；不把所有隧穿漏电或所有三端负阻器件都称为同一工作模式。

边界

n型与p型TFET必须先说明器件极性

在教材的典型横向n型TFET中，p型源、轻掺杂沟道和n型漏组成非对称结，正向的栅控制可打开电子注入；p型工作模式对应相反的掺杂与偏置。脱离器件极性单说“负栅压打开”会造成误解。^{1, 2}

成立条件 这是典型p-i-n类结构说明，其他静电掺杂或异质结构需按实际能带重新判断。电压均相对于同一参考端。

机制

打开隧穿还要有可占据与可接收的能态

栅弯曲沟道能带后，源端已占据态与沟道可用态之间出现可传输的能量窗口，电流才可能增大。只说明势垒变窄还不够，能态占据和能带重叠也决定注入。^{1, 3}

成立条件 近似弹性带间隧穿图像；声子参与、带尾和陷阱通道需要额外处理。

开关指标与定量判断

公式

亚阈值摆幅必须附带电流窗口和测量偏置

摆幅表示改变一个数量级漏电流所需的栅压变化。两个端点得到的是该窗口平均值，不能当作每一点的微分摆幅；比较低压开关时还要给出温度、漏压、漏电基线和实际电流范围。^{1, 3}

S_{\mathrm{avg}}=\frac{|V_{g2}-V_{g1}|}{\log_{10}(I_2/I_1)}

$S_{\mathrm{avg}}$: 选定电流窗口的平均摆幅单位 V/dec
$V_{g1}$: 起点栅压单位 V
$V_{g2}$: 终点栅压单位 V
$I_1$: 窗口起点漏电流幅值单位 A
$I_2$: 窗口终点漏电流幅值单位 A

成立条件 I2>I1>0且栅压窗口沿所研究导通方向取正幅值；相同漏偏压和温度，不把噪声底附近的拟合当作有效开关证据。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学曲线在相同漏压、300 K下，栅压变化0.120 V，电流从10⁻¹² A变为10⁻⁸ A，平均摆幅是多少？

已知

端点为教学假设，不是某器件实测结果。
两端电流均可可靠测量，不受测量噪声底限制。

步骤

log₁₀(10⁻⁸/10⁻¹²) = 4先算电流跨越的数量级。
Savg = 0.120/4 = 0.0300 V/dec = 30.0 mV/dec除以4个数量级得到窗口平均值。

结果平均摆幅30.0 mV/dec。

它低于300 K理想热发射标尺约59.5 mV/dec，但还没有给出导通电流、寄生或电路速度。

适用边界 不是声称每个电流点都达到30 mV/dec，也不是宣称违反热力学。

边界

低于热发射标尺不等于摆脱所有温度效应

传统热发射MOSFET的理想摆幅标尺与kBT/q有关；TFET通过不同注入和能量选择机制，不必遵循同一热发射开关模型。实际TFET仍受能态分布、缺陷通道和材料温度依赖影响，不能宣称电流与温度无关。^{1, 3}

成立条件 约60 mV/dec指约300 K的理想热发射标尺，不是任何温度、任何器件的固定常数。

材料与电静力设计

机制

带隙和有效质量同时影响导通与关闭裕量

减小相关带隙或隧穿有效质量可提高带间透射，但也可能增加非目标隧穿通道。材料选择因此要同时检查导通注入、漏端及源漏泄漏，而不是把最窄带隙当作唯一目标。^{1, 3}

成立条件 有效质量是对应能带与隧穿路径的模型参数，不能直接拿另一方向的输运质量替代。

机制

异质能带对齐影响的不只是材料名称

交错或破隙能带对齐可以改变源到沟道的有效隧穿势垒与可用重叠区。相同材料组合若界面、应变和实际带阶不同，不能仅凭材料名就推断导通电流或摆幅。^{1, 3}

成立条件 讨论能带对齐这一物理作用；具体异质结带阶需由对应结构测量或可靠计算确定。

机制

多栅几何改善对隧穿结的电静力控制

双栅或环栅结构可减小特征电静力长度，使栅更有效地改变隧穿结附近能带。收益来自几何与势垒控制，不能仅把沟道迁移率提高当作TFET性能改善的唯一原因。^{1, 3}

成立条件 比较相近材料和偏置；栅介质、接触和寄生仍可能限制实际收益。

机制

线隧穿设计联合利用结面积与栅场方向

在教材所述口袋层或线隧穿结构中，设计可增加有效注入结面积，并使栅场更直接地控制隧穿方向。它不是单纯把平面宽度拉长，仍需确认各处能带是否同步打开。^{1, 3}

成立条件 限定所述结构方案；不把线隧穿写成所有TFET必需的几何形式。

非理想性与评价边界

边界

另一栅压极性可打开漏端非目标隧穿

典型TFET在与目标导通相反的栅偏置下，漏端附近也可能形成带间隧穿通道，表现为双极性电流。源漏不对称、漏端带隙和栅覆盖需要按目标工作窗口设计。^{1, 3}

成立条件 不把双极性等同于正常互补CMOS；源端注入和漏端寄生通道应分开判断。

边界

源掺杂并非越高越能保持陡峭开关

高掺杂有助于压窄某些结势垒，但过强简并会改变可用于隧穿的占据分布，使导通和摆幅不再随掺杂单调改善。设计应同时检查结宽、费米位置与可用态。³

成立条件 针对综述中的源态占据分析；不把结论转换为某材料通用最优掺杂值。

边界

关闭目标隧穿不代表其他泄漏通道同时消失

TFET关态还可能存在栅介质泄漏、热产生、缺陷辅助隧穿和直接源漏隧穿。只用理想带间模型拟合低电流区，可能把缺陷或量测底噪误当成器件的固有陡峭特性。³

成立条件 需按结构和温度实测分辨机制；不能仅凭一条转移曲线唯一定位缺陷。

关联

陡峭注入与负电容栅放大不是同一个机制

TFET改变源端载流子的注入方式，负电容FET讨论的则是铁电栅堆栈的电静力响应。即使都以低压陡峭开关为目标，也不能用一种器件的证据直接证明另一种器件的行为；最终仍需比较可用电流与电路寄生。^{1, 3}

成立条件 只区分机制，不评价未给定结构的铁电稳定性；也不以最小摆幅替代导通电流和延迟。

出处

3 份资料 · 24 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- §6.7.2，图81，本电子版无可确认印刷页码 支持：核心控制量是源沟道带间注入而非只改变沟道电阻
- §6.7.2，图81a–f，本电子版无可确认印刷页码 支持：n型与p型TFET必须先说明器件极性
- §6.7.2，式146、图81，本电子版无可确认印刷页码 支持：打开隧穿还要有可占据与可接收的能态
- §6.7.2，摆幅定义和图82，本电子版无可确认印刷页码 支持：亚阈值摆幅必须附带电流窗口和测量偏置
- §6.7.2，热发射与隧穿比较，本电子版无可确认印刷页码 支持：低于热发射标尺不等于摆脱所有温度效应
- §6.7.2，式146后材料讨论与双极性说明，本电子版无可确认印刷页码 支持：带隙和有效质量同时影响导通与关闭裕量
- §6.7.2，异质TFET及图82–83，本电子版无可确认印刷页码 支持：异质能带对齐影响的不只是材料名称
- §6.7.2，纳米线环栅TFET讨论，本电子版无可确认印刷页码 支持：多栅几何改善对隧穿结的电静力控制
- §6.7.2，line-tunneling讨论，本电子版无可确认印刷页码 支持：线隧穿设计联合利用结面积与栅场方向
- §6.7.2，ambipolarity，本电子版无可确认印刷页码 支持：另一栅压极性可打开漏端非目标隧穿
- §6.7.1–6.7.2，本电子版无可确认印刷页码 支持：陡峭注入与负电容栅放大不是同一个机制
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2
The Physics of Semiconductors
Marius Grundmann
- §24.5.6，图24.38，第 829 页 支持：核心控制量是源沟道带间注入而非只改变沟道电阻
- §24.5.6，图24.38a–b，第 829 页 支持：n型与p型TFET必须先说明器件极性
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3
Low-Voltage Tunnel Transistors for Beyond CMOS Logic
Alan C. Seabaugh; Qin Zhang · 2010
- §I，图1，原论文电子版第 1–2 页，Cornell合订，第 2095–2096 页 支持：打开隧穿还要有可占据与可接收的能态
- §II，图2–3，原论文电子版第 3–4 页，Cornell合订，第 2097–2098 页 支持：亚阈值摆幅必须附带电流窗口和测量偏置
- §I、§V.C，图14，原论文电子版第 1–2、12 页，Cornell合订，第 2095–2096、2106 页 支持：低于热发射标尺不等于摆脱所有温度效应
- §V.A、§V.D，图15，原论文电子版第 10–13 页，Cornell合订，第 2104–2107 页 支持：带隙和有效质量同时影响导通与关闭裕量
- §V.A、§V.C，原论文电子版第 10–12 页，Cornell合订，第 2104–2106 页 支持：异质能带对齐影响的不只是材料名称
- §V.B，图13，原论文电子版第 11–12 页，Cornell合订，第 2105–2106 页 支持：多栅几何改善对隧穿结的电静力控制
- §V，图12c–d，原论文电子版第 10 页，Cornell合订，第 2104 页 支持：线隧穿设计联合利用结面积与栅场方向
- §I、§V.D，图15，原论文电子版第 2、12–13 页，Cornell合订，第 2096、2106–2107 页 支持：另一栅压极性可打开漏端非目标隧穿
- §V.C，图14，原论文电子版第 12 页，Cornell合订，第 2106 页 支持：源掺杂并非越高越能保持陡峭开关
- §V.D，图15，原论文电子版第 12–13 页，Cornell合订，第 2106–2107 页 支持：关闭目标隧穿不代表其他泄漏通道同时消失
- 引言、§II，原论文电子版第 1、3–4 页，Cornell合订，第 2095、2097–2098 页 支持：陡峭注入与负电容栅放大不是同一个机制
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关键参数

常见误区

注入与能带控制

#核心控制量是源沟道带间注入而非只改变沟道电阻

#n型与p型TFET必须先说明器件极性

#打开隧穿还要有可占据与可接收的能态

开关指标与定量判断

#亚阈值摆幅必须附带电流窗口和测量偏置

已知

步骤

#低于热发射标尺不等于摆脱所有温度效应

材料与电静力设计

#带隙和有效质量同时影响导通与关闭裕量

#异质能带对齐影响的不只是材料名称

#多栅几何改善对隧穿结的电静力控制

#线隧穿设计联合利用结面积与栅场方向

非理想性与评价边界

#另一栅压极性可打开漏端非目标隧穿

#源掺杂并非越高越能保持陡峭开关

#关闭目标隧穿不代表其他泄漏通道同时消失

#陡峭注入与负电容栅放大不是同一个机制

Physics of Semiconductor Devices

The Physics of Semiconductors

Low-Voltage Tunnel Transistors for Beyond CMOS Logic

核心控制量是源沟道带间注入而非只改变沟道电阻

n型与p型TFET必须先说明器件极性

打开隧穿还要有可占据与可接收的能态

亚阈值摆幅必须附带电流窗口和测量偏置

低于热发射标尺不等于摆脱所有温度效应

带隙和有效质量同时影响导通与关闭裕量

异质能带对齐影响的不只是材料名称

多栅几何改善对隧穿结的电静力控制

线隧穿设计联合利用结面积与栅场方向

另一栅压极性可打开漏端非目标隧穿

源掺杂并非越高越能保持陡峭开关

关闭目标隧穿不代表其他泄漏通道同时消失

陡峭注入与负电容栅放大不是同一个机制