Проектирование и моделирование p‑типа Dual Interbridge TreeFET с всесторонним DC, аналоговым/RF и анализом нелинейности для применения в CMOS‑схемах

Меньше и быстрее: чипы для повседневной техники

От смартфонов до Wi‑Fi‑роутеров современные устройства опираются на миллиарды микроскопических переключателей — транзисторов. Инженеры продолжают уменьшать эти переключатели, чтобы упаковать больше мощности в меньшие чипы, но современные конструкции сталкиваются с физическими ограничениями: они протекают, теряют энергию и искажают высокочастотные сигналы. В этой работе рассматривается новый тип транзистора, похожего на крошечное трёхмерное дерево, который может помочь поддерживать рост производительности для будущей маломощной, высокоскоростной электроники.

Новая трёхмерная «деревоподобная» форма транзистора

Исследуемое устройство называется p‑типа Dual Interbridge TreeFET — переключатель, рассчитанный на технологические нормы менее трёх миллиардных долей метра. Вместо простой плоской канальной области оно использует два тонких плоских «нанолиста», уложенных один над другим и соединённых двумя вертикальными мостиками в форме дерева. Эта трёхмерная структура позволяет току протекать по нескольким путям одновременно, при этом окружающий затворный металл строго контролирует заряд внутри. Такое сочетание увеличивает полезный ток в открытом состоянии транзистора и сокращает нежелательный ток в закрытом состоянии, при этом занимает чрезвычайно небольшой объём, подходящий для плотной логики на кристалле.

Настройка окружающего пространства рядом с переключателем

Ключевая идея этой работы в том, что важна не только сердцевина устройства, но и тонкие изолирующие области по бокам от затвора, называемые спейсерами. Авторы использовали подробные компьютерные симуляции для сравнения различных материалов спейсеров, от пустого пространства (воздуха) до обычных окислов и «high‑k» материала, называемого оксидом гафния. High‑k означает, что материал сильно реагирует на электрические поля. Когда рядом с затвором использовали оксид гафния, электрическое поле более эффективно охватывало канал, облегчая движение дырок (носителей заряда в этом p‑типе устройства) в открытом состоянии транзистора и при этом сохраняя барьер достаточно высоким, чтобы блокировать их в закрытом состоянии.

Баланс между мощностью, утечкой и качеством сигнала

Исследование показывает, что при использовании спейсеров из оксида гафния «деревоподобный» транзистор обеспечивает примерно на 40 процентов больший ток в открытом состоянии, более резкое переключение между выключенным и включённым состояниями и значительно лучшую стойкость к эффектам короткого канала, которые обычно мешают очень маленьким устройствам. Эти преимущества обусловлены более сильным электростатическим захватом канала со стороны затвора и увеличением ёмкости затвора, что повышает эффективность реакции устройства на входное напряжение. Однако есть компромисс: хотя high‑k спейсеры усиливают силовую отдачу, они также увеличивают некоторые паразитные ёмкости, что может ограничивать предельную радиочастотную скорость и ухудшать некоторые тонкие нелинейные проявления, приводящие к искажениям сигнала в чувствительных аналоговых и беспроводных схемах. Напротив, более простые low‑k спейсеры, такие как воздух, дают более чистую, более линейную характеристику и более высокие граничные частоты, но с меньшим тягловым током.

От отдельного устройства к рабочей схеме

Чтобы показать, что эта конструкция не просто теоретическая экзотика, авторы построили смоделированный трёхступенчатый генератор с управлением по напряжению, используя как n‑тип, так и p‑тип версий TreeFET. Такой тип схемы является ключевым элементом в радиопередатчиках, тактовых генераторах и коммуникационных каналах, поскольку генерирует настраиваемый периодический сигнал. В симуляциях генератор достигал частот выше 20 гигагерц при умеренном напряжении питания, и его частота могла плавно регулироваться изменением управляющего напряжения. Сильный контроль со стороны затвора и компактная геометрия TreeFET способствовали устойчивости колебаний, одновременно обеспечивая широкий диапазон настройки, что привлекательно для будущих беспроводных и смешанно‑сигнальных кристаллов.

Что это значит для электроники будущего

Для неспециалиста главный вывод заключается в том, что авторы предложили реалистичный путь дальнейшего уменьшения базового транзистора при одновременном улучшении его характеристик как для цифровых, так и для высокочастотных применений. Тщательно проектируя трёхмерный канал в форме дерева и материалы спейсеров, окружающих его, они показывают, как можно жёстко балансировать между максимальной тягловой силой и чистотой аналоговых сигналов. High‑k спейсеры благоприятствуют сильному, энергоэффективному переключанию для логических схем, тогда как low‑k спейсеры дают более чистые, менее искажённые сигналы для радио‑частотных блоков. Такая гибкость делает Dual Interbridge TreeFETs перспективными строительными блоками для будущих систем‑на‑чипе, требующих высокой скорости, низкого энергопотребления и надёжной беспроводной связи в всё меньших устройствах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: нанолистовый транзистор, продвинутая CMOS‑технология, RF‑схемы, масштабирование приборов, генератор с управлением по напряжению