Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Metal Work Pneumatic
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy

ghost666 22 Kwi 2015 11:14 1593 0
  • Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy Naukowcy z Narodowego Centrum Zaawansowanych Nauk i Technologii Przemysłowych Japonii zaprezentowali nowy rodzaj tranzystora tunelowego (TunelFET, TFET), charakteryzujący się poprawionymi parametrami elektrycznymi i dłuższym czasem bezawaryjnej pracy. Tego rodzaju elementy postrzegane są jako przyszłościowe w zastosowaniach w układach o ograniczonym poborze prądu.

    Badacze opracowali proces produkcji tunelowych FETów tak typu P jak i N, które są konieczne do konstrukcji układów typu CMOS, mających za zadanie sterowanie siecią sensorów. Dzięki wykorzystaniu podłoża krzemowego proces jest dosyć tani, a jego efektem są tranzystory o parametrach lepszych od używanych dzisiaj MOSFETów opartych o tlenki metali. Daje to nadzieję na wykorzystanie tych tranzystorów do sterowania sieci sensorowych, z uwagi na ich niewielki koszt produkcji i wysoką stabilność długoczasową.

    Wykorzystanie bezprzewodowych sieci sensorów do ciągłego monitorowania rozmaitych procesów jest szybko rozwijającą się dziedziną. Tego rodzaju układy chętnie aplikowane są na wielu polach, takich jak medycyna, kryminalistyka, rolnictwo czy monitorowanie pojazdów lub budynków (patrz rysunek pierwszy). Wraz z zmniejszającą się dzietnością Japończyków społeczeństwo starzeje się, co powoduje, że zainteresowanie medycznymi zastosowaniami takich sieci sensorowych zwiększa się bardzo szybko. Co za tym idzie - zwiększa się nacisk na uczynienie tego rodzaju systemów oszczędniejszymi energetycznie oraz stabilniejszymi, co przełoży się na zmniejszenie kosztów utrzymania i naprawy. Aktualnie tego rodzaju układy konstruuje się w oparciu o tranzystory MOSFET, jednakże badania w ciągu ostatnich lat prowadzą do zastąpienia ich tranzystorami tunelowymi, które zużywać mają mniej mocy. Kluczowym aspektem rozwoju TFETów na tym etapie jest zapewnienie im dobrych parametrów elektrycznych przy zmniejszeniu napięcia zasilania oraz redukcja ich kosztów przy wydłużeniu czasu ich poprawnej pracy.

    Naukowcy z Centrum Zielonej Nanoelektroniki opracowali układy CMOS, działające na nowatorskiej zasadzie, która pozwolić ma na ograniczenie zużycia energii elektrycznej przez te systemy o ponad 90%. Naukowcy skupili się na TunelFETach, które są wysoce kompatybilne z technologią CMOS. Dzięki zastosowaniu odpowiedniej struktury warstwowej udało się skonstruować układy wykorzystujące złącze tunelowe i spełniające powyższe wymagania.

    Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy




    Rys.1. Diagram typowej sieci bezprzewodowych sensorów.


    Przeprowadzone badania miały za zadanie, po pierwsze, zweryfikować długoczasową stabilność tego rodzaju tranzystorów, która przekłada się na redukcję kosztów wymiany elementów systemu. W badaniu tym wykorzystano TFETy typu N, które porównano z tranzystorami MOSFET tego samego typu. Długoczasową stabilność elementu zdefiniowano jako czas, po którym progowe napięcie tranzystora zmieni się o 50 mV. W normalnych warunkach stabilność ta wynosiłaby ponad 10 lat, co nie byłoby praktyczne z punktu widzenia eksperymentu, dlatego też elementy poddano przyspieszonemu starzeniu pod zwiększonym napięciem, a czas życia w warunkach normalnej pracy wyznaczono korzystając z ekstrapolacji.

    Rezultaty pomiaru czasu życia elementów zaprezentowano na rysunku drugim. Przykładowo zwykły tranzystor MOSFET, przy napięciu bramki na poziomie 1,5 V, pracowałby około kilkaset sekund (do tysiąca). Dla porównania, w takich warunkach, tranzystor tunelowy jest w stanie pracować 10 lat - wzrost czasu pracy jest zauważalny gołym okiem. Korzystając z ekstrapolacji, ocenić można, że przy napięciu sterującym poniżej 1 V, TFETy pracować mogą ponad wiek, co pozwala na wykorzystanie ich jako permanentnych sensorów w systemach niskiego napięcia.

    Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy
    Rys.2. Porównanie długoczasowej stabilności pracy tranzystora polowego (czarne) i tunelowego (czerwone).


    Jak wynika z powyższych danych, zastosowanie TFETów oferuje istotne wydłużenie czasu pracy systemu. Na rysunku trzecim pokazano, jakie czynniki mają wpływ na czas życia MOSFETów i TFETów. Czas pracy tranzystorów MOSFET determinowany jest głównie przez wstrzykiwanie elektronów ze źródła. Z kolei w tranzystorach tunelowych, źródło i dren mają inną polaryzację, co powoduje koncentrowanie się pola elektrycznego na krawędzi pomiędzy dodatnim źródłem a ujemną bramką. Dotychczas spodziewano się, że koncentracja ta ma negatywny wpływ na stabilność tranzystora, jednakże najnowsze, opisywane badania pokazały, że koncentracja pola w tym miejscu nie ma szkodliwego wpływu na strukturę.

    Dodatkowo przeprowadzone badania, po raz pierwszy na świecie, pokazały, że polaryzacja (N lub P) tranzystorów tunelowych ma wpływ na ich czas życia. Udowodniono, że wstrzykiwanie elektronów, które determinuje stabilność tranzystorów TFET, występuje tylko w elementach z ujemnym drenem. Dzięki temu, że testowano tego rodzaju elementy w warunkach przyspieszonego starzenia przy zwiększonym napięciu, gdzie różnica potencjałów pomiędzy bramką a drenem była zmniejszona, wstrzykiwanie elektronów było hamowane, co wydłużało czas życia TFETów.

    Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy
    Rys.3. Czynniki mające dominujący wpływ na stabilność długoczasową tranzystorów.


    Czynnik wpływający na stabilnośćMOSFETTunelFET
    Wstrzykiwanie elektronów ze źródłaWstrzykiwanie elektronówBrak
    Wstrzykiwanie elektronów z drenuNiewielkie wstrzykiwanieNiewielkie wstrzykiwanie
    Koncentracja pola elektrycznego na granicy bramki i źródłaXBrak wpływu


    Powyższe rezultaty dowodzą niezbicie, że tranzystory tunelowe, pracujące przy niskim napięciu zasilania, mogą być wykorzystane w stałych sieciach sensorowych, które nie będą wymagać okresowej wymiany elementów.

    Naukowcy opracowali także technologię konstrukcji tunelowych FETów, zoptymalizowaną pod kątem minimalizacji poboru mocy przez sieci sensorowe, wykorzystujące te elementy.

    W konwencjonalnych tranzystorach MOSFET wstrzykiwanie nośników jest rezultatem termicznej dyfuzji elektronów, dlatego też ograniczenie narastania prądu podczas załączania i wyłączania elementów jest na poziomie około 60 mV/dec. Jednakże w tranzystorach tunelowych, wstrzykiwanie nośników odbywa się dzięki ich tunelowaniu, co pozwala na osiągnięcie lepszego narastania/opadania. Pomiary tego rodzaju pozwalają na ocenę jak szybko tranzystor może zostać załączony. Wyniki eksperymentów zaprezentowano na rysunku czwartym. Ponieważ do załączania tranzystorów tunelowych wymagane jest mniejsze napięcie niż przy klasycznych MOSFETach, pozwala to na zmniejszenie napięcia zasilającego układ, co przekłada się na zmniejszenie poboru przezeń prądu, a w konsekwencji na możliwość wykorzystania mniejszych baterii czy zasilaczy.

    Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy
    Rys.4. Różnice w załączaniu tranzystorów MOSFET i TunelFET.


    Z uwagi na opisane powyżej zalety, tranzystory tunelowe badane są przez wiele ośrodków na świecie. Próbuje się opracować zoptymalizowaną technologię ich produkcji, jednakże póki co, udało się tylko stworzyć elementy unipolarne. Inwertery CMOS, będące kluczowym elementem wielu systemów wymagają jednakże posiadania dwóch tranzystorów - P oraz N. Z uwagi na to, pożądane jest wytworzenie TFETów o takich właśnie polaryzacjach. Dzięki opracowaniu nowego procesu, pokazanego na rysunku piątym, możliwe jest właśnie jednoczesne wytworzenie obu rodzajów tranzystorów tunelowych.

    Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy
    Rys.5. Proces technologiczny wytwarzania nowych tranzystorów tunelowych.


    Jak wiadomo - defekty na złączu tunelowym mogą powodować pogarszanie parametrów elektrycznych tranzystorów tego rodzaju. Analiza wykorzystująca spektroskopię rentgenowską fotoelektronów pokazała, że przemywanie kwasem flurowodorowym pozostawia na powierzchni materiału cienką warstewkę tlenku, która odpowiedzialna jest za powstawanie defektów strukturalnych. Z uwagi na to, powierzchnia zostaje najpierw utleniona, a następnie powstała warstwa tlenku jest usuwana, dzięki czemu możliwe jest tworzenie wolnych od defektów złączy tunelowych. Rezultatem tego zabiegu jest m.in. zwiększenie prądu, jakim sterować może tranzystor (o czynnik około 1000 - patrz rysunek 6) i pokonanie ograniczenia 60 mV/dec, jakie charakterystyczne jest dla tranzystorów typu MOSFET.

    Niskonapięciowe tranzystory tunelowe - lepsze parametry i zwiększony czas pracy
    Rys.6. Charakterystyki przejściowe tranzystorów tunelowych, wytwarzanych nowo opracowaną metodą.


    Opracowana technologia i wykorzystanie jej do budowy układów CMOS daje szansę na zmniejszenie zużycia energii przez te systemy do poziomu tak niskiego, że możliwe będzie ich zasilanie tylko z układów odzyskiwania energii (np. z wibracji, ciepła czy ruchu).

    Celem opisanych powyżej badań jest stworzenie tranzystorów tunelowych, które mogłyby zostać zastosowane w sieciach sensorowych, gdzie nacisk kładziony jest głównie na zmniejszone zużycie energii elektrycznej oraz wysoką stabilność czasową i długi czas 'życia' tych elementów.

    Źródło:

    http://phys.org/news/2015-04-long-term-reliability-tunnel-transistors-ultra-low.html#jCp


    Fajne! Ranking DIY
  • Metal Work Pneumatic