مع أن صناعة النواة الميكانيكية لم تكن مؤثرة في أداء الأجهزة وموثوقيتها، فإن النفق الكمي، والظاهرة التي تمر بها الجسيمات من خلال حواجز الطاقة التي ستمنعها الفيزياء الكلاسيكية، وتنظم الآن آثار التسرب الفيزيائي، وأجهزة استهلاك الطاقة، والحدود الأساسية للذاكرة.

فيزياء كوانتوم تونيلينج

وينشأ النفق الكمي عن ازدواجية المادة في الموجات، وفي الميكانيكيات الكلاسيكية، فإن الكهرباء التي تستخدم الطاقة E التي تصطدم بحواجز محتملة في الارتفاع ]()(0()

وكثيراً ما يوصف الأساس الالرياضي للنفق في أجهزة شبه الموصل باستخدام التقريب بين وينتزل وكرامرز - برايلوين (WKB) (WKB) (WKB)) وفيما يتعلق بالحاجز الرجعي الذي يُعدُّ واحداً من الأبعاد، فإن معامل الانتقال [(FLT:0]T هو تقريباً:

T] œ(2 -2) √2m*(V(x)-E)/ ⁇ dx)

حيث تكون الكتلة الفعالة، والخامسة (س) من حيث الكم، والثبات المخفض للعمود، وتبرز هذه العلاقة السبب في أن المقاييس الديكلية العالية والأكسيدات المادية السميكة يمكن أن تحجب الأنفاق: فهي تزيد من ارتفاع الحاجز الفعلي وطوله، وأن الواقع في الأجهزة فوق النطاقات أكثر تعقيدا بسبب ضخ الضمادات، والتقسيم الكمي في القناة، والآثار المتعددة الأبعاد، ولكن المبدأ الأساسي يظل كذلك.

السياق التاريخي

وقد لوحظت عملية النفق الكينتوم لأول مرة في العشرينات في سياق فك الألوجة، ثم طُبقت فيما بعد على مقاطعات نصف الموصلات في قاع النفق (ليو إيزاكي، 1957). ونظراً لأن الأبعاد الأساسية للمرور العابر تقل عن 100 ميل بحري في أواخر التسعينات، أصبح رفع مستوى النفق من حيث طول البوابة، حيث حدد مجرى طرق التكنولوجيا الدولية لأجهزة الوصل الناغم.

أثر على أجهزة المناداة بالأشعة فوق البنفسجية

إن النفق الكمي يؤثر تقريبا على كل جانب من جوانب عملية الترجمات الحديثة، من استهلاك الطاقة الثابتة إلى الأداء الدينامي، ونحن ندرس الآثار الأكثر أهمية.

Gate Oxide Tunneling and Leakage Currents

In traditional planar MOSFETs, the gate oxide (silicon dioxide) fishdly scaled to improve gate control and drive current. However, below about 2 nm, direct harmony through the oxide becomes significant. This gate leakage current flows even when the transistor is supposed to be off, increasing static power disipation.

ولا تقتصر تيارات التسرب بسبب النفق على مترجمين منطقيين، ففي الذاكرة المشتعلة تعتمد طبقات تخزين الشحنات على النفق لعمليات البرنامج/السير، ولكن التسرب غير المرغوب فيه يمكن أن يسبب فقداناً للاحتفاظ به، وفي مادة السحب والحفر من خلال جهاز الديليكت يمكن أن يزيد من معدلات التجديد واستهلاك الطاقة.

الآثار القصيرة الأجل وتدهور الأداء

ويؤدي التطوير إلى تفاقم آثار الميكانيكية القصيرة، ولا سيما الحاجز الناجم عن الدراجة (DIBL) و الحد من تدفق الطاقة . وفي قناة قصيرة، يمكن أن تقل قدرة الصرف إلى أدنى حد من النفق المتجه نحو النفق، مما يسمح للناقلات بأن تكون معززة.

استهلاك الطاقة والإدارة الحرارية

With harmonying tuing-induced leakage currents, the static power component has become similar to dynamic power in advanced nodes. For high-performance processors, leakage power can account for 30-50% of totalرق power. This waste heat must be dissipated, raising thermal design power (TDP) limits and cooling costs. In mobile and IoT devices, batti lifetime is directly impacted.

الشواغل المتعلقة بالثقة

Toigtomling contributes to several wear-out mechanisms. Bias temperature instability (BTI) - both negative (NBTI) and positive (PBTI) - is accelerated by the harmonying of hot carriers into the gate dielectric, creating compest that shift the threshold voltage over time.

الاستراتيجيات الهندسية للتخفيف من آثار التونينغ

وبدلا من قبول القيود المفروضة عن طريق النفق، وضعت صناعة شبه الموصل مجموعة أدوات غنية من المواد، وهندسة الأجهزة، وتقنيات التصميم لقمع عواقبها غير المرغوب فيها.

الابتكارات المادية

In most direct approach to reduce harmonying is to increase the effective barrier altitude and width. High-new dielectrics (e.g. havenium dioxide, HfO[FLANT:2])[2

وثمة حدود مادية أخرى تتمثل في استحداث 2D materials] مثل الدهكجينين والفلزات الانتقالية (مثلاً، فإن الموسومات () )() وتطرح طبيعتها الرقيقة الذريّية مجموعة جديدة من التحديات والفرص الناشئة عن النفق.()

التغييرات في هيكل الأجهزة

وربما كانت استراتيجية التخفيف الأكثر نجاحاً هي الانتقال من مترجمي الخطط إلى ثلاثة هياكل ذات أبعاد دنيوية. FinFETs، التي تم إدخالها في النموذج 22 nm nilim node (Intel, 2011)، حتى في قناة على ثلاثة جوانب مع البوابة، مما يوفر رقابة الكهرمائية أفضل ويحد من تسرب الأنفاق عبر الترددات.

تقنيات العملية والتصميم

In the circuit level, designers employ various techniques. Halo doping (pocket implants) creates a higher doping concentration near the source and drain, reducing the barrier width at the edges and thus suppressing source to-disTstrrain harmonying.

ما بعد قمع: تسخير النفقة من أجل أجهزة نوففيل

بينما يُنظر إلى النفق غالباً كعامل لتقييد، فهو أيضاً يتيح عدة مفاهيم جديدة واعدة للأجهزة يمكن أن تمدّد قانون مور أو تعرض وظيفة جديدة تماماً.

مترجمون ميدانيون - مؤثرون

ويمكن أن تستغل هذه النفقات ذات النطاق الترددي المنخفض بدلا من الانبعاث الحراري للتبديل، لأن النفق هو مرشح حاد للطاقة، يمكن لصناديق الطاقة الكهربائية أن تحقق تقل عن 60 ميلاً مربعاً/تعاقباً في درجة حرارة الغرفة، مما يمكن أن يؤدي إلى عملية ذاتية التأثير، ويكمن التحدي في تحقيق استخدامات عالية في الوقت الذي يحافظ فيه على منحدرات فرعية من طراز Steroslope.

كهرباء القدرات السلبية

وتستخدم أداة ناشئة أخرى مادة خصبة في كومة البوابة، مما يؤدي إلى أثر سلبي على الغطاء يضاعف الإمكانات السطحية، مما يمكن أن يقلل من التأرجح دون الأرضي دون 60 متراً مربعاً/ميدكا دون الاعتماد على النفق للتبديل، غير أن طبقة الأسمدة نفسها يمكن أن تخضع لتسرب الأنفاق إذا ما كان ذلك ضئيلاً للغاية، فإن الشبكة الوطنية للكهرباء هي منطقة متقدمة بسرعة، ويمكن أن تمتد إلى أجيال أخرى.

Quantum Dot and single-Electron Transistors

At the ultimate limit of scaling, quantum dots] — nanometer — nanometer — can comprons single electistors that operate with just a few electrons. Tunneling is the mechanism by which electrons enter and out the dot. These devices are extremely sensitive and could be used for ultradense memory or quantum logical.

استكشاف التانلين في مجال تكنولوجيات الذاكرة

Flash memory is the traditional example of exploiting harmonying: electrons harmony through a little oxide to store charge in a floating gate. As scaling continues, harmonying in 3D NAND[Fconup:3]

الآفاق المستقبلية ورؤوس الطريق

(ب) تقترب صناعة النوافذ من الحدود المادية الأساسية حيث تهيمن النفق الكمي، أما الشعاران 2 nm و1.4 nm الجاري تطويرهما حالياً (المنشوران في الفترة 2025-2030)، فمن المرجح أن يستخدما هياكل الاتفاق العام بشأن استغلال الأراضي باستخدام صحائف نانوية أو أجهزة لبيع الكشوف.

On the materials front, 2D semiconductors like monolayer MoS]2] offer ultimate channel palness (М0.65 nm) which drastically reduces short-channel effects, but they also face severe failureing at contacts and through gate dielectrics.

وسيكون دور النفق في الموثوقية أكثر أهمية حيث تقترب الأجهزة من الأبعاد الذرية، فعلى سبيل المثال، قد تكون أكسيد البوابات عند 3 أمتار سميكة فقط من ثلاث إلى أربع طبقات ذرية، مما يجعلها عرضة لظواهر الانهيار المفاجئ، وسيكون من الضروري وضع نماذج مُحتملة للعيوب المستحثة بالنفقة لضمان الغلة المقبولة وعمرها.

ويمكننا أيضا أن نتوقع أن يؤدي النفق دورا مزدوجا في الحوسبة الكمي، إذ أن الموصلات العمودية للفق، مثلا، تستخدم النقاط الكمية التي يتبادل فيها النفق بين النقاط التفاعلية، مما يجعل من الضروري الحد من النفق غير المرغوب فيه للبيئة (الإرث) أن يكون أمرا حاسما في تحقيق التضحية بالأعراق، وبالتالي فإن نفس الظاهرة التي تحد من الحساب الكلاسيكي قد تمكن من خلفها.

وباختصار، لم يعد النفق الكمي فضول نظري؛ فهو القيد المادي المهيمن في أجهزة شبه موصلة متداخلة، ومن خلال علوم المواد البغيضة، وهندسة الأجهزة، وتصميم الدوائر، تمكنت الصناعة حتى الآن من إبقاء النفق تحت السيطرة، مما يسمح باستمرار التوسع الميكانيكي الهائل لعقود، وسيتطلب الجيل القادم من الأجهزة استراتيجيات أكثر عدلا للتخفيف من حدة الآثار، واستعدادا لا يشمل النفق.

وفيما يتعلق بمزيد من القراءة، توفر الموارد التالية مناقشات تفصيلية بشأن النفقة في أجهزة شبه الموصل: