用于 CMOS 电路应用的 p 型双桥接树状 FET 的设计与仿真，并对直流、模拟/射频及线性特性进行全面分析

为日常科技打造更小更快的芯片

从智能手机到 Wi‑Fi 路由器，现代设备依赖于数十亿个微型开关——晶体管。工程师不断缩小这些开关，以在更小的芯片上集成更多性能，但当前设计已经遇到物理极限：它们会泄漏电流、浪费能量，并扭曲高频信号。本文探讨了一种新型晶体管，其形状类似微小的三维“树状”结构，可能有助于在未来低功耗、高速电子设备中继续提升性能。

一种新的树状晶体管构型

这里研究的器件称为 p 型双桥接树状 FET（p‑type Dual Interbridge TreeFET），为尺寸小于三纳米的工艺节点设计。它不是采用简单的平面通道，而是使用两片薄而平的“纳米片”上下堆叠，并由两条垂直桥梁以树状形式连接。这种三维结构允许电流通过多个通道同时流动，而环绕的栅金属对内部电荷进行严格控制。这一组合在开启时增加有用电流，在关闭时减少不必要的泄漏，同时占用极小的芯片面积，适合高密度逻辑电路。

调控开关周围的空间

本工作的一项关键思想是，不仅器件核心重要，位于栅极旁边的薄绝缘区（称为间隔层或 spacer）也至关重要。作者使用详细的计算机仿真比较了不同的间隔材料，从空气到常见氧化物，再到一种称为氧化铪的高介电常数（high‑k）材料。高‑k 表示材料对电场反应强烈。当在栅极旁使用氧化铪时，电场对通道的包裹更有效，使空穴（该 p 型器件的载流子）在晶体管开启时更容易移动，同时在关闭时仍能保持足够的势垒以阻止它们。

平衡功耗、泄漏与信号质量

研究表明，采用氧化铪间隔层的树状晶体管在导通电流上可接近提升 40%，开关从关到开更陡峭，并且对通常困扰超小器件的短沟道效应有显著改善。这些增益来自于栅极对通道更强的静电控制以及栅电容的增加，从而提升器件对输入电压的响应效率。然而，这也存在权衡：高‑k 间隔层虽然提升原始驱动能力，但也增加某些寄生电容，可能限制最终的射频速度并加剧一些导致模拟和无线电路信号失真的细微非线性行为。相比之下，像空气这样的低‑k 间隔层可产生更干净、更线性的响应和更高的截止频率，但驱动电流较低。

从单个器件到工作电路

为了证明该设计不仅是理论上的探讨，作者构建了一个使用 n 型和 p 型 TreeFET 的仿真三级压控振荡器。这类电路是无线电、时钟和通信链路中的关键模块，因为它能产生可调的周期信号。在仿真中，该振荡器在较低的供电电压下实现了超过 20 GHz 的频率，并且其频率可以通过改变控制电压平滑调节。TreeFET 的强栅控与紧凑几何形状有助于保持振荡稳定，同时提供对未来无线和混合信号芯片有吸引力的宽调谐范围。

对未来电子设备的意义

对非专业读者而言，主要结论是作者提出了一种现实可行的方法，能在继续缩小基本晶体管尺寸的同时，改善其在数字和高频应用中的表现。通过精心设计三维树状通道及其周围的间隔材料，他们展示了如何在最大驱动强度与模拟信号纯净度之间进行权衡。高‑k 间隔有利于逻辑电路中强劲、能效高的开关，而低‑k 间隔则为射频模块提供更干净、失真更小的信号。这种灵活性表明，双桥接树状 TreeFET 有望成为未来片上系统设计中多用途的构件，以满足越来越小器件中对高速、低功耗和可靠无线通信的需求。

引用: 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

关键词: 纳米片晶体管, 先进 CMOS, 射频电路, 器件缩放, 压控振荡器