Progettazione e simulazione di un TreeFET p‑type a doppio interbridge con analisi completa DC, analogica/RF e di linearità per applicazioni circuitali CMOS

Chip più piccoli e più veloci per la tecnologia di tutti i giorni

Dagli smartphone ai router Wi‑Fi, i dispositivi moderni fanno affidamento su miliardi di microscopici interruttori chiamati transistor. Gli ingegneri continuano a ridurre queste componenti per inserire maggiore potenza in chip sempre più piccoli, ma i progetti attuali stanno incontrando limiti fisici: perdite di corrente, sprechi energetici e distorsioni nei segnali ad alta frequenza. Questo articolo esplora un nuovo tipo di transistor, modellato come un minuscolo albero tridimensionale, che potrebbe contribuire a mantenere la crescita delle prestazioni per l’elettronica futura a bassa potenza e ad alta velocità.

Una nuova forma di transistor ad albero

Il dispositivo studiato qui è chiamato p‑type Dual Interbridge TreeFET, un interruttore progettato per generazioni tecnologiche inferiori ai tre miliardesimi di metro. Invece di un semplice canale piatto utilizza due sottili “nanosheet” impilate una sopra l’altra, connesse da due ponti verticali in una forma ad albero. Questa struttura tridimensionale permette alla corrente di fluire attraverso più percorsi contemporaneamente mentre il metallo del gate circostante mantiene un controllo saldo sulla carica interna. Questa combinazione aumenta la corrente utile quando il transistor è acceso e riduce la corrente indesiderata quando è spento, il tutto in un ingombro estremamente ridotto adatto a logiche dense.

Regolare lo spazio attorno all’interruttore

Un’idea chiave in questo lavoro è che non conta solo il nucleo del dispositivo, ma anche le sottili regioni isolanti che si trovano accanto al gate, chiamate spacer. Gli autori hanno utilizzato simulazioni computazionali dettagliate per confrontare diversi materiali per gli spacer, dall’aria ai comuni ossidi fino a un materiale “high‑k” chiamato ossido di hafnio. High‑k significa semplicemente che il materiale risponde fortemente ai campi elettrici. Quando è stato usato l’ossido di hafnio accanto al gate, il campo elettrico avvolgeva il canale in modo più efficace, rendendo più facile il movimento delle lacune (i portatori di carica in questo dispositivo p‑type) quando il transistor è acceso, pur mantenendo la barriera sufficientemente alta da bloccarle quando è spento.

Bilanciare potenza, perdita e qualità del segnale

Lo studio mostra che con spacer in ossido di hafnio il transistor ad albero fornisce quasi il 40 percento in più di corrente di on, una commutazione più netta tra off e on e una resistenza molto migliore agli effetti di canale corto che solitamente affliggono dispositivi molto piccoli. Questi miglioramenti derivano da una presa elettrostatica più forte del gate sul canale e da un aumento della capacità del gate, che migliora l’efficacia della risposta del dispositivo alla tensione di ingresso. Tuttavia, c’è un compromesso: mentre gli spacer high‑k aumentano la forza di drive grezza, incrementano anche alcune capacità parassite che possono limitare la velocità radio‑frequenza massima e peggiorare alcuni comportamenti non lineari sottili che causano distorsione del segnale in circuiti analogici e wireless sensibili. Al contrario, spacer più semplici e a basso k come l’aria producono risposte più pulite e lineari e frequenze di taglio più elevate, ma con una corrente di drive inferiore.

Dal singolo dispositivo al circuito funzionante

Per dimostrare che questo progetto non è solo una curiosità teorica, gli autori hanno costruito un oscillatore controllato in tensione a tre stadi simulato usando versioni n‑type e p‑type del TreeFET. Questo tipo di circuito è un elemento chiave nelle radio, nei clock e nei collegamenti di comunicazione perché genera un segnale periodico sintonizzabile. Nelle simulazioni l’oscillatore ha raggiunto frequenze oltre i 20 gigahertz funzionando con una tensione di alimentazione modesta, e la sua frequenza poteva essere regolata in modo fluido variando una tensione di controllo. Il forte controllo del gate e la geometria compatta del TreeFET hanno contribuito a mantenere stabili le oscillazioni offrendo al contempo un’ampia gamma di sintonia attraente per futuri chip wireless e mixed‑signal.

Cosa significa questo per l’elettronica futura

Per un non specialista, il messaggio principale è che gli autori hanno individuato un modo realistico per continuare a ridurre il transistor di base migliorandone al contempo il comportamento sia per usi digitali sia ad alta frequenza. Ingenerizzando con cura il canale tridimensionale ad albero e i materiali degli spacer che lo circondano, mostrano come negoziare il compromesso tra massima forza di drive e pulizia dei segnali analogici. Gli spacer high‑k favoriscono una commutazione forte ed efficiente dal punto di vista energetico per i circuiti logici, mentre gli spacer a basso k offrono segnali radio‑frequenza più puliti e meno distorti. Questa flessibilità suggerisce che i Dual Interbridge TreeFET potrebbero diventare blocchi costitutivi versatili per futuri design system‑on‑chip che richiedono alta velocità, basso consumo e comunicazioni wireless affidabili in dispositivi sempre più piccoli.

Citazione: Mounika, S., Nanda, U. Design and simulation of a p-type dual interbridge treeFET with comprehensive DC, analog/RF, and linearity analysis for CMOS circuit applications. Sci Rep 16, 11144 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41484-5

Parole chiave: transistor nanosheet, CMOS avanzato, circuiti RF, scaling del dispositivo, oscillatore controllato in tensione