半導(dǎo)體技術(shù)的最新進(jìn)展推動(dòng)了開(kāi)關(guān)速度大于 1 太赫茲或每秒 1 萬(wàn)億周期的晶體管的概念更接近現(xiàn)實(shí)。晶體管本質(zhì)上是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，可以控制電流或電壓——這取決于所使用的材料和設(shè)計(jì)。在最低級(jí)別，一個(gè)端子上的信號(hào)控制是否允許電流流過(guò)“開(kāi)關(guān)”，以及電流的多少，這取決于受制造中使用的半導(dǎo)體類(lèi)型影響的固定數(shù)學(xué)關(guān)系。一些實(shí)驗(yàn)室標(biāo)本已經(jīng)達(dá)到 1 太赫茲以上，但還沒(méi)有準(zhǔn)備好進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。2001 年，英特爾宣布他們已經(jīng)制造了幾個(gè)太赫茲晶體管，盡管今天他們的產(chǎn)品中沒(méi)有一個(gè)可用。該技術(shù)對(duì)通信、配電、家庭太陽(yáng)能裝置、計(jì)算、監(jiān)控以及許多其他研究和消費(fèi)應(yīng)用具有重要意義。高速開(kāi)關(guān)器件甚至可能意味著摩爾定律的延續(xù)，這是一項(xiàng)臭名昭著的觀察，即集成電路上的晶體管數(shù)量每 18 到 24 個(gè)月就會(huì)翻一番。最重要的是，太赫茲速度晶體管因其提高速度和降低功耗的能力而備受青睞。

太赫茲晶體管的最大障礙之一是需要高 κ 材料以制造合適的柵極氧化物。κ 值代表介電常數(shù)，它與晶體管端子上的電容成正比。本質(zhì)上，由于柵極氧化層是由絕緣材料制成的，它可以在任一側(cè)保持電荷并防止它流過(guò)——就像平行板電容器一樣。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于 MOSFET 晶體管的運(yùn)行至關(guān)重要，如下圖 1 所示。

MOS 電容器（由維基媒體用戶(hù) CyrilB 提供）

高κ電介質(zhì)是必要的，以增加足以阻止泄漏的電容。隨著晶體管尺寸縮小以容納更強(qiáng)大的集成電路，柵極厚度也同樣減小以允許更大的電流量。柵極厚度與柵極電容成反比，但較小的柵極允許更多的漏電流通過(guò)。漏電流是不恰當(dāng)?shù)亓鬟^(guò)柵絕緣體的電流，當(dāng)柵層很薄時(shí)更容易發(fā)生漏電流。這會(huì)像漏水的水龍頭浪費(fèi)水一樣浪費(fèi)能量，并產(chǎn)生可能影響晶體管行為的不良結(jié)果。當(dāng)器件關(guān)閉時(shí)，薄柵極還允許少量電流流動(dòng)，從而改變工作特性并浪費(fèi)更多功率。

英特爾的工藝涉及使用一種增加電容的材料，從而增加電流，而不會(huì)因泄漏而損失盡可能多的功率。雖然簡(jiǎn)單地通過(guò)在爐中氧化現(xiàn)有的硅層很容易生長(zhǎng)二氧化硅，但其他技術(shù)引入了更多的困難?？赡艿牟牧习ü杷徙x、硅酸鋯和二氧化鋯。這些問(wèn)題在于，將這些不同的材料與傳統(tǒng)的聚硅酸鹽門(mén)相結(jié)合會(huì)在材料相遇的地方引入缺陷，由于稱(chēng)為聲子散射的效應(yīng)而減慢載流子的速度。最近的公告表明，英特爾在 2007 年發(fā)布的 45 納米門(mén)處理器中除了金屬門(mén)之外，還使用了基于鉿的絕緣體。

其他問(wèn)題包括涉及器件源/漏電阻的考慮。隨著晶體管性能的提高，最重要的考慮是減小器件尺寸。不幸的是，器件電阻的本質(zhì)是較小的面積基本上會(huì)聚集載流子，這意味著較小的源極和漏極將大大增加流經(jīng)器件的載流子的電阻。在某些情況下，不同的硅摻雜密度可能有助于緩解這個(gè)問(wèn)題，盡管規(guī)模不夠大。源極和漏極通道的另一個(gè)問(wèn)題是它們還充當(dāng)電容器。結(jié)上產(chǎn)生的電容增加了器件循環(huán)所需的時(shí)間，使晶體管變慢而不是變快。本質(zhì)上，每次晶體管需要切換時(shí)，

用于商業(yè)上可行的太赫茲設(shè)備的鉿門(mén)的一種有前途的替代品是基于石墨烯的晶體管。石墨烯是一種碳基分子，已在包括半導(dǎo)體電子在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域顯示出應(yīng)用前景。2010 年，加州大學(xué)洛杉磯分校的一個(gè)小組展示了由石墨烯納米線(xiàn)構(gòu)建的晶體管，其速度已達(dá)到 300 GHz，通道長(zhǎng)度為 140 nm。溝道長(zhǎng)度描述了器件中柵極和源極之間的距離，上述電容跨越該距離。據(jù)加州大學(xué)洛杉磯分校團(tuán)隊(duì)的段向峰介紹，獲得 50 nm 或以下的通道長(zhǎng)度將使他們能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲石墨烯晶體管。這樣做的好處是石墨烯是一種廉價(jià)且豐富的材料，相對(duì)容易使用和批量生產(chǎn)。與需要昂貴的外延工藝來(lái)生產(chǎn)的昂貴異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，這一點(diǎn)尤其如此。下面顯示了幾種類(lèi)型的碳納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)的圖片。

碳納米管線(xiàn)結(jié)構(gòu)（維基媒體用戶(hù) Simetrical 提供）

任何太赫茲晶體管技術(shù)的目標(biāo)都是減少柵極延遲并增加驅(qū)動(dòng)電流。柵極延遲是將電流從源極轉(zhuǎn)移到漏極所需的時(shí)間，而驅(qū)動(dòng)電流是指器件處于飽和模式時(shí)流過(guò)器件的電流量。除了高 κ 電介質(zhì)外，實(shí)現(xiàn)這些條件所需的目標(biāo)還包括低工作電壓和具有升高的源極和漏極的耗盡型襯底晶體管結(jié)構(gòu)。低工作電壓降低了設(shè)備的整體功率需求，使其能夠更高效地運(yùn)行。這意味著即使存在與小尺寸晶體管相關(guān)的泄漏電流，也將通過(guò)封裝可用的功率量最小化。耗盡的襯底晶體管減少了襯底中可用的載流子數(shù)量，減少源極和漏極之間的溝道泄漏。制造具有升高的漏極和源極的器件將降低器件兩端的電阻，從而降低整體功耗——這是最重要的目標(biāo)之一。下面的圖 3 是典型 MOSFET 晶體管的圖片。標(biāo)有“S”和“D”的黑色區(qū)域分別是源極和漏極。如果黑色區(qū)域上升到淺棕色絕緣層之上并變得比它厚，那將是一個(gè)用凸起的源極和漏極制造的器件的粗略圖景。下面的圖 3 是典型 MOSFET 晶體管的圖片。標(biāo)有“S”和“D”的黑色區(qū)域分別是源極和漏極。如果黑色區(qū)域上升到淺棕色絕緣層之上并變得比它厚，那將是一個(gè)用凸起的源極和漏極制造的器件的粗略圖景。下面的圖 3 是典型 MOSFET 晶體管的圖片。標(biāo)有“S”和“D”的黑色區(qū)域分別是源極和漏極。如果黑色區(qū)域上升到淺棕色絕緣層之上并變得比它厚，那將是一個(gè)用凸起的源極和漏極制造的器件的粗略圖景。

典型的 MOSFET（維基媒體用戶(hù) BotMultichill 提供）

當(dāng)高速晶體管最終可行時(shí)，它們將改變?cè)S多行業(yè)。由于逆變器和其他電力電子設(shè)備可以使用低成本、高速和低功耗的晶體管，將太陽(yáng)能裝置產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為家庭消費(fèi)，從而減少熱損失，因此家庭太陽(yáng)能裝置將能夠變得負(fù)擔(dān)得起。通信應(yīng)用將能夠?qū)嵤┨掌澗w管來(lái)構(gòu)建高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而提高本地和無(wú)線(xiàn)傳輸信息的速率。英特爾酷睿 i7 代已經(jīng)存在了近四年，因?yàn)榧矣糜?jì)算處理器一直停滯不前，因?yàn)榫w管在較小尺寸時(shí)損耗太大，無(wú)法制造出合格的集成電路。

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