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自從19世紀(jì)第一臺電腦出現(xiàn)開始，科學(xué)家們對電子科技的改良便從未停歇過，短短的100多年間，便從原本整間房間大小的電腦，變成現(xiàn)在能一手掌握的智能手機，這其中，晶體管和數(shù)字集成電路的出現(xiàn)功不可沒。

立大功的小小小小兵：集成電路

究竟為什么我們可以將萬千資訊、各種龐大功能濃縮成一只小小的手機或是電腦呢？若是拆開各位的電腦或手機，一定可以看見有一塊黑黑方方的東西，這塊號稱電腦與手機的「大腦」，便是所謂的集成電路。

集成電路如細(xì)胞構(gòu)造人體，是由許多小小的晶體管所組成的。圖／pexels

集成電路的構(gòu)造就像細(xì)胞建構(gòu)人體一樣，是由許多小小的晶體管所組成的，最大的好處即是能在小面積下裝入大量元件，具體到底有多大量呢？日前臺積電公布的3納米制程，每平方公厘就能裝載約2.5億個電晶體，也就是說，光是一個指尖大小的集成電路，便能裝入十幾億個晶體管。 

其中，「場效晶體管」（field-effect transistor, FET）是現(xiàn)今集成電路中最常使用的核心元件之一，隨著技術(shù)的進(jìn)步，它的尺寸也不斷縮小，使相同面積的電子芯片上能有更多晶體管和其他元件，并讓資訊科技更快速的發(fā)展。

場效晶體管的功能是「控制電流的開關(guān)與大小」，當(dāng)我們透過訊號施加不同電壓在柵極（gate electrode，中上）時，就可以改變汲極（drain，右）與源極（source ，左）之間溝道（channel）的狀態(tài)，并進(jìn)而改變電流。

那么一般科學(xué)家是如何讓晶體管越來越小呢？讓晶體管更迷你的重點就在于：讓汲極與源極之間的電流溝道（channel）變小。

傳統(tǒng)場效晶體管示意圖。

開關(guān)失靈、耗電與漏電的技術(shù)挑戰(zhàn)

但隨著晶體管的尺寸越來越小，科學(xué)家在技術(shù)的研發(fā)上遇到了三大難題。

首先，傳統(tǒng)晶體管的通道是以硅作為原料，而「柵極」作為晶體管的「工作開關(guān)」，當(dāng)它的尺寸越來越小時，控制溝道電位的能力也會下降，也就是說，晶體管作為開關(guān)的能力會喪失，就好比一個關(guān)不起來的水龍頭。

第二個困境，雖然尺寸變小，但科學(xué)家已經(jīng)難以降低集成電路中所需要的工作電壓了，當(dāng)工作電壓無法降低時，就會帶來比較高的功率消耗，產(chǎn)生不必要的耗電注1。

第三個問題，即使傳統(tǒng)場效晶體管已經(jīng)關(guān)閉，當(dāng)尺寸變小時，會更難完全阻擋電子在通道之間流動，并產(chǎn)生漏電流。在溝道變小的情況下，僅是源極與汲極之間的電場便能使電流通過，產(chǎn)生漏電流的問題。

尤其當(dāng)電子產(chǎn)品的尺寸、臨界電壓都越來越小的情況下，漏電流將造成更嚴(yán)重、更明顯的影響！在晶體管未切換開、關(guān)狀態(tài)時的穩(wěn)定狀態(tài)時，這些漏電流會順著周遭的電壓差亂跑，造成額外的能量消耗，產(chǎn)生不必要的耗電。

同時，這些能量消耗所產(chǎn)出的廢熱也會進(jìn)一步的影響路徑附近晶體管的工作表現(xiàn)，影響其他晶體管的性能，并出現(xiàn)「過熱」的現(xiàn)象。

新興材料與穿隧式晶體管幫助突破瓶頸！

為了解決這三大難題，近期科學(xué)家研發(fā)出了新一代的晶體管—— ATLAS – TFET (atomically thin and layered semiconducting-channel tunnel-FET) 。

ATLAS – TFET是來自新興材料「平面材料過渡金屬硫?qū)倩衔铩?Transition metal dichalcogenide, TMD)與「穿隧式場效晶體管」(tunnel field-effect transistor, TFET)的結(jié)合，改善了過往晶體管因為小尺寸而帶來的各種缺點。

首先，相比傳統(tǒng)晶體管常用的硅、鍺或三、五族元素作為通道，ATLAS – TFET的溝道原料是平面材料過渡金屬硫?qū)倩衔铮矫娌牧线^渡金屬硫?qū)倩衔锟梢宰龅椒浅?、非常的薄，借此縮減晶體管通道的大小，滿足晶體管尺寸縮減的需求。最棒的是，已經(jīng)有許多實驗證實，當(dāng)科學(xué)家使用這種材料制作晶體管的電流溝道時，就算溝道變小、變短，柵極對于溝道的控制能力也不會因此而下降！

透過這種材料制作電流溝道，科學(xué)家終于解決了第一個問題。

該晶體管用了極薄的兩層二硫化鉬作為溝道，電子流向由圖中紅箭頭所示，其導(dǎo)通機制為「帶對帶穿隧」(band-to-band-tunnelling, BTBT)，如此結(jié)構(gòu)能在溝道縮短下保有良好表現(xiàn)。圖／作者重制自Sarkar et al, 2015

此外，研究也顯示，比起傳統(tǒng)場效晶體管，ATLAS – TFET的次臨界擺幅（subthreshold swing）注2縮減了許多，而隨著次臨界擺幅下降，ATLAS – TFET的工作電壓也會變小。

從數(shù)據(jù)上來看，現(xiàn)代常用的晶體管工作電壓為0.7 伏特，而ATLAS – TFET 的工作電壓可以縮小到0.1 伏特，由此可知，ATLAS – TFET 也完美的改善了第二個問題，讓晶體管的工作電壓變得更低，減少了不必要的功率消耗，避免多余的耗電。

此圖縱軸為次臨界擺幅，橫軸為汲極的電流。紅線為傳統(tǒng)場效晶體管的次臨界擺幅所能達(dá)到的下限。可看出新研究中制造的新型晶體管，次臨界擺幅的表現(xiàn)比傳統(tǒng)場效晶體管優(yōu)秀，工作電壓的問題得以改善。圖／參考文獻(xiàn) 3

除了電流溝道的材料與眾不同，ATLAS – TFET 采用了「穿隧式場效晶體管」，在這種晶體管的結(jié)構(gòu)中，來自源極的電子會借由「量子穿隧效應(yīng)」直接穿隧至通道，并產(chǎn)生電流，也就是說，電流傳導(dǎo)的方式跟傳統(tǒng)場效晶體管完全不同，

綜觀以上三點，ATLAS – TFET 可以說取得充分的突破！雖說目前來看，該晶體管目前仍在實驗「晶體管本身」的性質(zhì)，還很難馬上被應(yīng)用在數(shù)字集成電路，大家可以想像雖然他的單一「細(xì)胞」表現(xiàn)很好，但是還不能很好的跟其他細(xì)胞或是組織結(jié)合在一起。

雖然ATLAS – TFET 距離實際應(yīng)用還有一段距離，但它確實提供了充滿吸引力的研究方向，以期實現(xiàn)理想的工程目標(biāo)，科學(xué)家也表示， ATLAS – TFET 若能跟現(xiàn)行的其他技術(shù)整合，我們可以期待未來相關(guān)電子元件的功能可以越來越強大！

注解：

集成電路所消耗功率，與集成電路中晶體管狀態(tài)切換的頻率與晶體管的工作電壓成正比。頻率更快相當(dāng)于同一段時間內(nèi)能做更多次操作，這樣才能在更短的時間完成更多事。而以相同頻率的基準(zhǔn)比較，更高的工作電壓代表更高的功率消耗，因此抑制工作電壓大小可以非常有效的抑制功率消耗，也就是說，第二個問題導(dǎo)致了多余功率消耗的問題難以解決，最直接的影響就是會并產(chǎn)生有不必要的耗電。

工作電壓被臨界電壓（ threshold voltage ）、次臨界擺幅（ subthreshold swing ）所決定，因為傳統(tǒng)場效晶體管的臨界電壓與次臨界擺幅受到了限制，導(dǎo)致工作電壓幾乎無法再更低。其中，次臨界擺幅（subthreshold swing）的定義為當(dāng)汲極電流增加十倍時，所需要增加的柵極電壓，是衡量晶體管開、關(guān)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的速率的一項重要性能指標(biāo)。