टनलिंग ट्रांजिस्टर

यह लेख टनलिंग ट्रांजिस्टर के सिद्धांत और उनके फायदों का वर्णन करता है।

0040-77771 डीपीएस ईएससी
हमेशा चालू रहने वाले पीसी, टैबलेट और स्मार्टफोन की दुनिया का जन्म एक उल्लेखनीय प्रवृत्ति के कारण हुआ: धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) का बढ़ता लघुकरण। MOSFETs, जो अधिकांश एकीकृत सर्किटों के बुनियादी निर्माण खंड हैं, पिछली आधी सदी में अपने आकार के एक हजारवें हिस्से तक सिकुड़ गए हैं, जो 20वीं सदी के 60 के दशक में दसियों माइक्रोन से बढ़कर आज केवल दसियों नैनोमीटर रह गए हैं। जैसे-जैसे MOSFETs की पीढ़ियां छोटी होती जा रही हैं, MOSFET-आधारित चिप्स तेजी से चलते हैं और पहले से कहीं अधिक शक्ति-कुशल होते हैं।
इस प्रवृत्ति ने औद्योगिक इतिहास में जीत की सबसे लंबी और महान श्रृंखला को जन्म दिया है, जिससे हमें पिछली पीढ़ियों के लिए अकल्पनीय उपकरणों, क्षमता और सुविधा तक पहुंच मिली है। लेकिन यह स्थिर प्रगति ख़तरे में है, और समस्या का मूल क्वांटम यांत्रिकी में निहित है। इलेक्ट्रॉनों में ऊर्जा बाधाओं को भेदने की तंत्रिका-तोड़ने की क्षमता होती है - एक घटना जिसे क्वांटम टनलिंग के रूप में जाना जाता है। जैसे-जैसे चिप निर्माता चिप पर अधिक से अधिक ट्रांजिस्टर स्थापित करते हैं, ट्रांजिस्टर छोटे होते जाते हैं, इसलिए विभिन्न ट्रांजिस्टर क्षेत्रों के बीच की दूरी कम हो जाती है। परिणामस्वरूप, एक इलेक्ट्रॉनिक अवरोध जो कभी विद्युत धारा को रोकने के लिए पर्याप्त मोटा था, अब बहुत पतला हो गया है, जिससे इलेक्ट्रॉनों को तेजी से गुजरने की अनुमति मिलती है।

हम ट्रांजिस्टर के एक महत्वपूर्ण भाग, गेट ऑक्साइड को पतला करने से दूर चले गए हैं। यह परत इलेक्ट्रॉनिक रूप से उस गेट को अलग करती है जो ट्रांजिस्टर को चालू और बंद करने को प्रवाहकीय चैनल से नियंत्रित करता है। इस ऑक्साइड परत को पतला करके, अधिक चार्ज को चैनल में भेजा जा सकता है, जिससे करंट का प्रवाह तेज हो जाएगा और ट्रांजिस्टर तेजी से चल सकेगा। हालाँकि, ऑक्साइड की मोटाई 1 नैनोमीटर से बहुत कम नहीं हो सकती है, जिसे हम शायद आज हासिल कर सकते हैं। इस सीमा से परे, जब ट्रांजिस्टर "बंद" स्थिति में होगा, तो चैनल के माध्यम से बहुत अधिक चार्ज प्रवाहित होगा, और आदर्श रूप से कोई चार्ज प्रवाहित नहीं होगा। यह कई लीक में से एक है.
हम इलेक्ट्रॉन सुरंग को इस पतली बाधा से गुजरने से नहीं रोक सकते, लेकिन हम इसे हमारे लिए काम कर सकते हैं। हाल के वर्षों में, एक नए ट्रांजिस्टर डिजाइन - टनलिंग फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (टीएफईटी) - में तेजी आई है। MOSFETs के विपरीत, जो ऊर्जा अवरोध को बढ़ाकर या कम करके धारा के प्रवाह को नियंत्रित करते हैं, TFET का ऊर्जा अवरोध उच्च रहता है। डिवाइस बैरियर के एक तरफ के इलेक्ट्रॉनों के दूसरी तरफ दिखाई देने की संभावना को बदलकर टर्न-ऑन और टर्न-ऑफ को नियंत्रित करता है।
ऑपरेशन का यह सिद्धांत पारंपरिक ट्रांजिस्टर के काम करने के तरीके से बहुत अलग है। हालाँकि, यह वही हो सकता है जो हमें तब करने की ज़रूरत है जब MOSFETs विकसित होना बंद कर दें। इसने मूर के नियम को अगले दशक तक विस्तारित करने के लिए तेज़, सघन और अधिक ऊर्जा-कुशल सर्किट के विकास का मार्ग प्रशस्त किया।
यह पहली बार नहीं है कि ट्रांजिस्टर का आकार बदला है। मूल रूप से, सेमीकंडक्टर-आधारित कंप्यूटर द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर से बने सर्किट का उपयोग करते थे। लेकिन 1960 में सिलिकॉन MOSFETs की शुरुआत के कुछ ही साल बाद, इंजीनियरों को एहसास हुआ कि वे दो पूरक स्विच बना सकते हैं ताकि वे पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (CMOS) सर्किट बनाने के लिए एक साथ काम कर सकें। द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर तर्क के विपरीत, यह सर्किट केवल चालू होने पर ही ऊर्जा की खपत करता है। चूँकि 70 के दशक की शुरुआत में पहला CMOS-आधारित एकीकृत सर्किट सामने आया, MOSFETs ने बाज़ार पर अपना दबदबा बना लिया है।
कई मायनों में, MOSFETs द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर से बहुत अलग नहीं हैं। दोनों ऊर्जा अवरोध को ऊपर या नीचे करके बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करते हैं - कुछ-कुछ नदी पर स्लुइस गेट को ऊपर या नीचे करने जैसा। इस मामले में, "नदी का पानी" दो प्रकार के वाहकों से बना है: एक इलेक्ट्रॉन और एक छेद, बाद वाला एक सकारात्मक रूप से चार्ज इकाई है जिसमें अनिवार्य रूप से सामग्री में परमाणु के बाहरी आवरण से एक इलेक्ट्रॉन की कमी होती है।
इन वाहकों के लिए दो अनुमेय ऊर्जा श्रेणियाँ या बैंड हैं। जिन इलेक्ट्रॉनों में सामग्री में स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है, वे चालन बैंड में स्थित होते हैं। कम ऊर्जा वाले बैंड, जिन्हें वैलेंस बैंड कहा जाता है, में छेद एक परमाणु से दूसरे परमाणु तक प्रवाहित होते हैं, ठीक उसी तरह जैसे एक खाली पार्किंग स्थल आस-पास की कारों के अंदर और बाहर आने के निरंतर प्रवाह के कारण पूर्ण पार्किंग स्थल बन सकता है।
ये बैंड निश्चित हैं, लेकिन हम ऊर्जा को अधिक या कम करने के लिए अशुद्धियाँ या डोपिंग परमाणुओं को जोड़कर उनसे जुड़ी ऊर्जा को बदल सकते हैं, इस प्रकार अर्धचालक की चालकता बदल सकती है। अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों से डोप किए गए एन-प्रकार के अर्धचालक नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉनों का संचालन करते हैं; पी-प्रकार के अर्धचालक जो डोपिंग के माध्यम से इलेक्ट्रॉन में कमी का कारण बनते हैं, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए छिद्रों का संचालन करते हैं।
यदि हम इन दो अर्धचालक प्रकारों को जोड़ते हैं, तो हमें एक गलत संरेखित बैंड मिलता है, जो बीच में एक अवरोध पैदा करता है। MOSFET बनाने के लिए, हम एनपीएन या पीएनपी कॉन्फ़िगरेशन में दो पूरक प्रकारों के बीच एक सामग्री इंजेक्ट करते हैं। यह ट्रांजिस्टर के मध्य में तीन क्षेत्र बनाता है: स्रोत (जहां चार्ज घटक में प्रवेश करता है), चैनल, और नाली (चार्ज निकास)।

प्रत्येक ट्रांजिस्टर के दो पीएन जंक्शन चार्ज प्रवाह के लिए एक इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा अवरोध प्रदान करते हैं, और चैनल के ऊपर गेट पर वोल्टेज लगाकर ट्रांजिस्टर को चालू किया जा सकता है। एन-चैनल MOSFET पर सकारात्मक वोल्टेज लागू करने से चैनल अधिक इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉनों को चैनल की ओर बढ़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को कम कर देता है। पी-चैनल एमओएसएफईटी पर नकारात्मक वोल्टेज लागू करने से छिद्रों पर समान प्रभाव पड़ सकता है।
ऊर्जा अवरोध को कम करने का यह सरल तरीका सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला वर्तमान नियंत्रण तंत्र है। डायोड, लेजर, द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर, थाइरिस्टर और अधिकांश क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर इस दृष्टिकोण का लाभ उठाते हैं। हालाँकि, इस दृष्टिकोण की एक भौतिक सीमा है: ट्रांजिस्टर को चालू या बंद करने से पहले एक निश्चित मात्रा में वोल्टेज की आवश्यकता होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि थर्मल ऊर्जा के कारण इलेक्ट्रॉन और होल हमेशा गति में रहते हैं, और उनका सबसे ऊर्जावान हिस्सा ऊर्जा अवरोध को पार कर जाता है। कमरे के तापमान पर, यदि बैरियर को 60 मिलीवोल्ट कम कर दिया जाए, तो बैरियर से प्रवाहित होने वाली धारा 10 गुना बढ़ जाती है; प्रत्येक "दशमलव" वर्तमान परिवर्तन के लिए 60 मिलीवोल्ट परिवर्तन की आवश्यकता होती है।

ये सभी करंट लीक डिवाइस के थ्रेशोल्ड वोल्टेज के नीचे होते हैं। थ्रेसहोल्ड वोल्टेज ट्रांजिस्टर को चालू करने के लिए आवश्यक वोल्टेज है। डिवाइस भौतिक विज्ञानी इस बाधा कटौती क्षेत्र को सबथ्रेशोल्ड क्षेत्र के रूप में संदर्भित करते हैं, और प्रति दशमलव 60 मिलीवोल्ट के वोल्टेज को न्यूनतम सबथ्रेशोल्ड स्विंग माना जाता है। ऊर्जा की खपत कम रखने के लिए, सबथ्रेशोल्ड स्विंग को यथासंभव कम रखा जाना चाहिए। इससे डिवाइस को चालू करने के लिए आवश्यक वोल्टेज कम हो जाता है, और बंद होने पर लीकेज करंट कम हो जाता है।
अतीत में सब थ्रेसहोल्ड स्विंग कोई बड़ी समस्या नहीं थी, जब चिप्स को संचालित करने के लिए उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती थी। लेकिन अब, उप-सीमा परिवर्तन ऊर्जा खपत को कम करने के हमारे प्रयासों में हस्तक्षेप करना शुरू कर रहे हैं। यह आंशिक रूप से इस तथ्य के कारण है कि सर्किट डिजाइनर यह सुनिश्चित करना चाहते हैं कि उनके तर्क घटकों में "0" को परिभाषित करने वाली धाराओं और "1" को परिभाषित करने वाली धाराओं के बीच स्पष्ट अंतर हो। ट्रांजिस्टर आमतौर पर इस तरह से डिज़ाइन किए जाते हैं कि जब वे चालू होते हैं तो वे बंद होने पर लीक होने की तुलना में 10,{3}} गुना अधिक करंट प्रवाहित कर सकते हैं। इसका मतलब यह है कि एक ट्रांजिस्टर को चालू करने के लिए उस पर कम से कम 240 मिलीवोल्ट का वोल्टेज लगाना होगा, यानी 4 दशमलव धाराएं, क्योंकि प्रत्येक दशमलव के लिए 60 मिलीवोल्ट की आवश्यकता होती है।
व्यवहार में, सीएमओएस सर्किट आमतौर पर 1 वोल्ट के करीब, बहुत अधिक ऑपरेटिंग वोल्टेज का उपयोग करते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि CMOS में सबसे बुनियादी लॉजिक सर्किट, इन्वर्टर, दो श्रृंखला ट्रांजिस्टर का उपयोग करता है। एक NAND गेट के लिए 3 श्रृंखला ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि इसे इन्वर्टर की तुलना में अधिक वोल्टेज की आवश्यकता होती है। यदि प्रक्रिया परिवर्तनशीलता को ध्यान में रखते हुए समायोजन किया जाना है - जिसका अर्थ है कि डिवाइस-टू-डिवाइस परिवर्तनशीलता को ध्यान में रखते हुए एक व्यापक वोल्टेज मार्जिन सेट करने की आवश्यकता है - तो ऑपरेशन सुनिश्चित करने के लिए आज देखा गया वोल्टेज 1 वोल्ट के करीब है।
रिसाव के मुद्दों के साथ मिलकर इन वोल्टेज आवश्यकताओं का मतलब है कि MOSFET लघुकरण में गिरावट आ रही है और कोई रास्ता नहीं है। यदि हम ऊर्जा की खपत को कम करने के लिए वोल्टेज को और कम करना चाहते हैं, तो दो विकल्प हैं (जिनमें से कोई भी आकर्षक नहीं है): हम डिवाइस के माध्यम से करंट को कम कर सकते हैं, जो स्टार्ट-अप गति को कम करता है और इस प्रकार प्रदर्शन का त्याग करता है; वैकल्पिक रूप से, शटडाउन के समय डिवाइस से अधिक करंट लीक होने की अनुमति देते हुए करंट को उच्च रखा जा सकता है। यहीं पर टीएफईटी का उपयोग किया जा सकता है। एमओएसएफईटी के विपरीत, जहां स्रोत और नाली के बीच भौतिक ऊर्जा अवरोध को बढ़ाया या घटाया जाता है, टीएफईटी में, हम ऊर्जा अवरोध की वास्तविक विद्युत मोटाई को नियंत्रित करने के लिए एक गेट का उपयोग करते हैं, और इस प्रकार ऊर्जा अवरोध से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों की संभावना होती है।
फिर, इस दृष्टिकोण का जादू पीएन गाँठ में निहित है - लेकिन कुछ मोड़ के साथ। टीएफईटी में, अर्धचालक सामग्री को पिन और निप के विन्यास में रखा जाता है। जहां "i" का अर्थ "आंतरिक" है, जिसका अर्थ है कि चैनल में छेद जितने ही इलेक्ट्रॉन हैं। आंतरिक अवस्था अर्धचालक की अधिकतम प्रतिरोधकता से मेल खाती है। यह चैनल के भीतर बैंड से जुड़ी ऊर्जा को भी बढ़ाता है, जिससे एक मोटी ऊर्जा बाधा उत्पन्न होती है जिसे स्रोत के भीतर चार्ज वाहक पार करने की संभावना नहीं होती है। इलेक्ट्रॉन और होल दोनों क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का पालन करते हैं, जिसका अर्थ है कि उनका आकार अस्पष्ट है। जब बैरियर 10 नैनोमीटर से कम मोटा होता है, तो यह संभावना नहीं है (लेकिन पूरी तरह से असंभव नहीं) कि जो इलेक्ट्रॉन बैरियर के एक तरफ हैं वे दूसरी तरफ शुरू हो जाएं।
टीएफईटी में, हम ट्रांजिस्टर के गेट पर वोल्टेज लगाकर इस संभावना को बढ़ाते हैं। यह स्रोत के भीतर चालन बैंड और चैनल के भीतर वैलेंस बैंड को ओवरलैप करता है, जिससे एक टनलिंग विंडो खुलती है। ध्यान दें कि टीएफईटी में, चैनल की ओर बढ़ते समय इलेक्ट्रॉन चालन और वैलेंस बैंड के बीच सुरंग बनाते हैं। यह MOSFETs में जो होता है उसके बिल्कुल विपरीत है। एमओएसएफईटी में, इलेक्ट्रॉन या छेद मुख्य रूप से एक बैंड या दूसरे के माध्यम से स्रोत से चैनल के माध्यम से नाली तक यात्रा करते हैं।
चूंकि टनलिंग तंत्र को ऊर्जा अवरोध के पार वाहकों के प्रवाह द्वारा नियंत्रित नहीं किया जाता है, इसलिए टीएफईटी शुरू करने के लिए आवश्यक वोल्टेज स्विंग एमओएसएफईटी की तुलना में बहुत छोटा हो सकता है। ओवरलैप बनाने या स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त वोल्टेज लागू करना पर्याप्त है जो चालन बैंड और वैलेंस बैंड को क्रॉस बनाता है या क्रॉस नहीं करता है। (चित्रण देखें "बंद करें और चालू करें।"))