Transistor à effet tunnel

Le transistor à effet tunnel (TFET) est un type de transistor encore expérimental. Même si sa structure est proche de celle d'un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET), les mécanismes fondamentaux de commutation diffèrent faisant de ce dispositif un candidat prometteur pour l'électronique faible puissance. Les TFET commutent en modulant l'effet tunnel à travers une barrière au lieu de moduler l'émission thermoïonique au dessus d'une barrière, comme dans le traditionnel MOSFET. De ce fait, les TFET ne sont pas limités par le transport statistique de Maxwell–Boltzmann des porteurs, ce qui limite le courant de drain des MOSFET à une pente de sous-saturation d'environ 60 mV/décade de courant à la température ambiante (exactement 63 mV par décade à 300 K[1]).

Le concept a été proposé par Chang et al, chez IBM [2]. Joerg Appenzeller et ses collègues d'IBM ont été les premiers à démontrer qu'une variation inférieure à celle de 60 mV/dec du MOSFET est possible. En 2004, ils ont annoncé qu'ils avaient créé un transistor à effet tunnel à base de nanotube de carbone manifestant seulement 40 mV par décade[3].

Des travaux théoriques indiquent une économie d'énergie significative en utilisant des TFET à basse tension dans des circuits logiques à la place des MOSFET[4].

Courant de Drain en fonction de la tension de grille pour le TFET et le MOSFET. Le TFET peut atteindre des courants plus élevés avec une tension de grille faible.

Dans les dispositifs à base de MOSFET la pente de 63 mV/dec de courant est une limite fondamentale à l'économie d’énergie. Le ratio entre le courant ON et le courant OFF (en particulier le courant de fuite) est donné par le ratio entre la tension de Seuil et la pente de sous-saturation.

${\displaystyle {\displaystyle n=63\,\,mV/decade;\,\,\,V_{th}=315\,\,mV\,\,\rightarrow \,\,I_{on}/I_{off}=V_{th}/n=5\,\,decades=100,000}}$

La pente de sous-saturation est proportionnelle à la vitesse du transistor. Plus faible est la pente (en mV/dec), plus le transistor est rapide. Pour une vitesse et un courant de fuite donnés, la pente de sous-saturation détermine une tension minimale d'activation. Depuis 2003, les développements technologiques sont presque bloqués dans la réduction de tension de seuil ce qui les empêche alors de réduire la tension d'alimentation des dispositifs (qui pour des raisons techniques est au moins 3 fois la tension de seuil pour des applications de haute performance). Par conséquent, la vitesse des processeurs ne s'est pas développée aussi rapidement qu'avant 2003 (voir CMOS). L'avènement d'une version de TFET compatible avec la production de masse et avec une pente bien en dessous de 63 mV/dec doit permettre à l'industrie de continuer sur la tendance de miniaturisation vérifiée depuis les années 90 où la fréquence des processeurs doublait tous les 3 ans (voir loi de Moore).