碳纳米晶体管

10纳米以下的碳纳米晶体管是什么概念，该技术解决的所谓的“短沟道效应”应该如何理解，个人比较喜欢研究计算机芯片的微结构的理论知识，比较关注这个最新的新闻。10纳米的碳纳米晶体管是什么概念简单的解释就是在处理器芯片的微结构中，电子是束缚在一个个类似超级复杂的输水管道中，当管道太窄或者太短的情况下，电子容易失控，失控后的电子将不再受到元器件设计的规则运动，这样一来就无法完成既定的逻辑元算导致计算出错误的结果，而一直以来使用的单晶硅作为管道的材料已经不能满足更小尺寸的管道的制作了，因此IBM公司使用碳纳米材料，制作的厚度约1～2纳米，直径9纳米的管道却解决了这个芯片微结构的巨大难题。

类似“管道”的微结构，电子就在这些类似“管道”结构里面运动（90纳米）纳米碳管纤维纳米晶体管是由直径10个原子大小的碳原子组成的小圆柱结构，比当时基于硅的晶体管小500倍。这是一种生成大量纳米管晶体的新的批量加工技术。芯片制造商预计10到20年后，基于硅的芯片不久将无法做得更小。而纳米碳管则是硅的有力竞争者。纳米碳管是由碳原子构成的筒状结构，碳原子的直径只及头发的五万分之一，但碳原子之间以强大的碳碳键相结合，这些特性使得纳米碳管成为超轻超强材料。很多科研小组都致力研发小尺寸的晶体管，以切合未来计算技术对于更小、更密集的集成电路的需要。但现有的硅基晶体管一旦尺寸缩小，就会失去有效控制电流的能力，即产生所谓的“短沟道效应”。18纳米的碳纳米管18纳米的碳纳米管模型在新研究中，科研人员舍弃硅改用单壁碳纳米管进行实验。碳纳米管具有出色的电气性能和仅为直径1纳米至2纳米的超薄“身躯”，这使其在极短的通道长度内也能保持对电流的闸门控制，避免“短沟道效应”的生成。而IBM团队研制的10纳米以下碳纳米管晶体管首次证明了这些优势。

科学家表示，理论曾预测超薄的碳纳米管将失去对于电流的闸门控制，或减少输出时的漏极电流饱和，而这都会导致性能的降低。此次研究的最大意义在于，证明了10纳米以下的碳纳米管晶体管也能表现良好，且优于同等长度性能最佳的硅基晶体管，这标志着碳纳米管可成为规模化生产晶体管的可行备选。

工程师在同一个纳米管上制造出若干个独立的晶体管，其中最小一个的通道长度仅为9纳米，而这个晶体管也表现出了极好的转换行为和漏极电流饱和，打破了理论的预言。当与性能最佳，但设计和直径不同的10纳米以下硅基晶体管进行对比时，9纳米的碳纳米管晶体管具有的直径归一化(漏)电流密度，可达到硅晶体管的4倍以上。而且其所处的工作电压仅为0.5伏，这对于降低能耗十分重要。此外，超薄碳纳米管晶体管的极高效能也显示出了其在未来计算技术中大规模使用的潜力。

下面解释一下什么叫做短沟道效应，简单理解就是要求管道里面的电子流无能按照既定方向流动，或者漏出管道的情况：英文名称：Short-channeleffects

解释一：短沟道效应主要是指阈值电压与沟道相关到非常严重的程度。

解释二：沟道长度减小到一定程度后出现的一系列二级物理效应统称为短沟道效应。

包括：

（1）影响阈值电压的短沟、窄沟效应

沟道长度减小到一定程度后,源、漏结的耗尽区在整个沟道中所占的比重增大,栅下面的硅表面形成反型层所需的电荷量减小,因而阈值电压减小。同时衬底内耗尽区沿沟道宽度侧向展宽部分的电荷使阈值电压增加。当沟道宽度减小到与耗尽层宽度同一量级时，阈值电压增加变得十分显著。短沟道器件阈值电压对沟道长度的变化非常敏感。

（2）迁移率场相关效应及载流子速度饱和效应

低场下迁移率是常数,载流子速度随电场线性增加。高场下迁移率下降,载流子速度达到饱和,不再与电场有关。速度饱和对器件的影响一个是使漏端饱和电流大大降低，另一个是使饱和电流与栅压的关系不再是长沟道器件中的近平方关系，而是线性关系。

（3）影响器件寿命的热载流子效应

器件尺寸进入深亚微米沟长范围，器件内部的电场强度随器件尺寸的减小而增强,特别在漏结附近存在强电场，载流子在这一强电场中获得较高的能量，成为热载流子。热载流子在两个方面影响器件性能:1)越过Si-SiO2势垒，注入到氧化层中，不断积累，改变阈值电压，影响器件寿命；2)在漏附近的耗尽区中与晶格碰撞产生电子空穴对，对NMOS管，碰撞产生的电子形成附加的漏电流，空穴则被衬底收集，形成衬底电流，使总电流成为饱和漏电流与衬底电流之和。衬底电流越大，说明沟道中发生的碰撞次数越多，相应的热载流子效应越严重。热载流子效应是限制器件最高工作电压的基本因素之一。

（4）亚阈特性退化，器件夹不断

亚阈区泄漏电流使MOSFET器件关态特性变差，静态功耗变大。在动态电路和存储单元中，它还可能导致逻辑状态发生混乱。因而由短沟道引起的漏感应势垒降低(DIBL)效应成为决定短沟道MOS器件尺寸极限的一个基本物理效应。

DIBL效应是指，当漏极加上高电压时。由于栅很短，源极同时受到漏极电场的影响，在此电场影响下，源结势垒降低。且漏极耗尽层扩展，甚至跟源结的耗尽区相连，至使器件无法关断。

为降低二级物理效应的影响，实现短沟道器件，要在器件结构上加以改进。一方面设法降低沟道电场，尤其是漏端电场；另一方面要消除PN结之间、器件之间的相互作用。因此出现了轻掺杂漏MOS结构(LDD)和绝缘衬底上硅结构(SOI)。既然说道了这么深刻的问题，自然要说一说，最近有可能实现的新处理器，Intel的3