幾十年來，傳統晶體管一直在不斷地小型化，這是由摩爾定律的總體趨勢所決定的。然而，隨著我們越來越接近這種縮小規模的物理邊界，相關成本飆升，而量子問題也帶來了重大障礙。

為了繼續獲得縮放的性能優勢而不實際縮小元件尺寸，研究人員現在正在追求一種新概念：可重構晶體管。本周，隆德大學的研究人員宣布了一項研究，描述了使用鐵電材料的可重構晶體管的所取得的突破。

在這篇文章中，我們將討論可重構晶體管、鐵電材料和隆德大學的新型晶體管原型的優點。

可重構晶體管

隨著摩爾定律放緩至接近停止，研究人員現在正在考慮將可重構晶體管作為技術的新范式轉變。

在傳統晶體管中，標準器件屬性，例如極性（n 型和 p 型）和閾值電壓，是在制造過程中預先定義的，之后無法更改。雖然該方案到目前為止已經奏效，但它最終限制了設備的靈活性及其對不斷變化的需求或條件的適應性。

可重構 FET 的擬議符號和 IV 曲線。圖片由Science Direct提供

另一方面，可重構晶體管是一種特殊形式的晶體管，即使在制造后也可以改變這些屬性。科學家可以使用控制器件特性的特殊材料和結構來重新配置晶體管的特性。例如，單個可重構晶體管有可能執行多個傳統晶體管的功能，從而形成更緊湊、更高效的電路。此外，可重構晶體管可用于創建更靈活、適應性更強的電子系統，能夠根據不斷變化的條件或要求調整其行為。

與傳統晶體管不同，可重構晶體管可以在制造后改變其屬性，從而提供前所未有的靈活性和控制力。這種適應性對于開發更小、更節能的電路至關重要，這些電路可以增強內存存儲和計算能力。

鐵電材料：可重構晶體管的關鍵？

為了追求商業上可行的可重構晶體管，鐵電 FET?(FeFET)是一項正在大力投資的技術。

鐵電材料是一類表現出受外部電場影響的電極化的材料。值得注意的是，即使移除外加電壓后，FeFET 的極化仍保持恒定。在可重構晶體管的背景下，鐵電材料用于創建“記憶”功能，其中材料的極化變化可用于改變晶體管的特性。

FeFET 的器件結構和原理圖。圖片由普渡大學提供

改變和記住晶體管狀態的能力為可重構性開辟了廣泛的可能性。例如，可以根據電路的需要重新配置單個晶體管以在不同時間執行不同的功能。或者，可重構 FeFET 可以通過調節鐵電極化并向柵電極施加電壓脈沖來實現閾值電壓的偏移。

最終，這可能會導致更緊湊、更高效的電路，甚至是能夠適應不斷變化的條件或要求的新型電子設備。

研究人員開發出鐵電隧道 FET

在隆德大學的新研究中，研究小組研究了基于鐵電材料的新型可重構晶體管。

該團隊創建了直接位于結點附近的鐵電“顆粒”，可以控制晶體管中的隧道結。這些顆粒的尺寸約為 10 納米，可以在個體水平上進行控制；以前的研究只能控制整個谷物組。

(A) 原理圖符號和 (b) 鐵 TFET 不同配置狀態下的時域波形。

這項研究最終開發出了一種新型晶體管，稱為鐵 TFET（隧道 FET）。新器件在較小的面積 (~0.01 μm 2 )內提供顯著較低的電源電壓（低至 50 mV），同時在目標頻率下保持高輸出功率集中度。研究人員表示，這是由于該器件的垂直納米線結構以及各種電源電壓下傳輸曲線的拋物線形狀，無需濾波器即可大幅抑制諧波。

研究人員還通過設計柵極/源極重疊結構，在鐵 TFET 中實現了負跨導 (NTC)。NTC 行為可以通過改變鐵電柵極氧化物的極化來重新配置，從而導致 IV 曲線中峰值電壓的變化和真正的可重構性。

審核編輯：劉清