自从19世纪第一台电脑出现开始，科学家们对电子科技的改良便从未停歇过，短短的100多年间，便从原本整间房间大小的电脑，变成现在能一手掌握的智能手机，这其中，晶体管和数字集成电路的出现功不可没。

立大功的小小小小兵：集成电路

究竟为什么我们可以将万千资讯、各种庞大功能浓缩成一只小小的手机或是电脑呢？若是拆开各位的电脑或手机，一定可以看见有一块黑黑方方的东西，这块号称电脑与手机的「大脑」，便是所谓的集成电路。

集成电路如细胞构造人体，是由许多小小的晶体管所组成的。图／pexels

集成电路的构造就像细胞建构人体一样，是由许多小小的晶体管所组成的，最大的好处即是能在小面积下装入大量元件，具体到底有多大量呢？日前台积电公布的3纳米制程，每平方公厘就能装载约2.5亿个电晶体，也就是说，光是一个指尖大小的集成电路，便能装入十几亿个晶体管。 

其中，「场效晶体管」（field-effect transistor, FET）是现今集成电路中最常使用的核心元件之一，随着技术的进步，它的尺寸也不断缩小，使相同面积的电子芯片上能有更多晶体管和其他元件，并让资讯科技更快速的发展。

场效晶体管的功能是「控制电流的开关与大小」，当我们透过讯号施加不同电压在栅极（gate electrode，中上）时，就可以改变汲极（drain，右）与源极（source ，左）之间沟道（channel）的状态，并进而改变电流。

那么一般科学家是如何让晶体管越来越小呢？让晶体管更迷你的重点就在于：让汲极与源极之间的电流沟道（channel）变小。

传统场效晶体管示意图。

开关失灵、耗电与漏电的技术挑战

但随着晶体管的尺寸越来越小，科学家在技术的研发上遇到了三大难题。

首先，传统晶体管的通道是以硅作为原料，而「栅极」作为晶体管的「工作开关」，当它的尺寸越来越小时，控制沟道电位的能力也会下降，也就是说，晶体管作为开关的能力会丧失，就好比一个关不起来的水龙头。

第二个困境，虽然尺寸变小，但科学家已经难以降低集成电路中所需要的工作电压了，当工作电压无法降低时，就会带来比较高的功率消耗，产生不必要的耗电注1。

第三个问题，即使传统场效晶体管已经关闭，当尺寸变小时，会更难完全阻挡电子在通道之间流动，并产生漏电流。在沟道变小的情况下，仅是源极与汲极之间的电场便能使电流通过，产生漏电流的问题。

尤其当电子产品的尺寸、临界电压都越来越小的情况下，漏电流将造成更严重、更明显的影响！在晶体管未切换开、关状态时的稳定状态时，这些漏电流会顺着周遭的电压差乱跑，造成额外的能量消耗，产生不必要的耗电。

同时，这些能量消耗所产出的废热也会进一步的影响路径附近晶体管的工作表现，影响其他晶体管的性能，并出现「过热」的现象。

新兴材料与穿隧式晶体管帮助突破瓶颈！

为了解决这三大难题，近期科学家研发出了新一代的晶体管—— ATLAS – TFET (atomically thin and layered semiconducting-channel tunnel-FET) 。

ATLAS – TFET是来自新兴材料「平面材料过渡金属硫属化合物」(Transition metal dichalcogenide, TMD)与「穿隧式场效晶体管」(tunnel field-effect transistor, TFET)的结合，改善了过往晶体管因为小尺寸而带来的各种缺点。

首先，相比传统晶体管常用的硅、锗或三、五族元素作为通道，ATLAS – TFET的沟道原料是平面材料过渡金属硫属化合物，而平面材料过渡金属硫属化合物可以做到非常、非常的薄，借此缩减晶体管通道的大小，满足晶体管尺寸缩减的需求。最棒的是，已经有许多实验证实，当科学家使用这种材料制作晶体管的电流沟道时，就算沟道变小、变短，栅极对于沟道的控制能力也不会因此而下降！

透过这种材料制作电流沟道，科学家终于解决了第一个问题。

该晶体管用了极薄的两层二硫化钼作为沟道，电子流向由图中红箭头所示，其导通机制为「带对带穿隧」(band-to-band-tunnelling, BTBT)，如此结构能在沟道缩短下保有良好表现。图／作者重制自Sarkar et al, 2015

此外，研究也显示，比起传统场效晶体管，ATLAS – TFET的次临界摆幅（subthreshold swing）注2缩减了许多，而随着次临界摆幅下降，ATLAS – TFET的工作电压也会变小。

从数据上来看，现代常用的晶体管工作电压为0.7 伏特，而ATLAS – TFET 的工作电压可以缩小到0.1 伏特，由此可知，ATLAS – TFET 也完美的改善了第二个问题，让晶体管的工作电压变得更低，减少了不必要的功率消耗，避免多余的耗电。

此图纵轴为次临界摆幅，横轴为汲极的电流。红线为传统场效晶体管的次临界摆幅所能达到的下限。可看出新研究中制造的新型晶体管，次临界摆幅的表现比传统场效晶体管优秀，工作电压的问题得以改善。图／参考文献 3

除了电流沟道的材料与众不同，ATLAS – TFET 采用了「穿隧式场效晶体管」，在这种晶体管的结构中，来自源极的电子会借由「量子穿隧效应」直接穿隧至通道，并产生电流，也就是说，电流传导的方式跟传统场效晶体管完全不同，

综观以上三点，ATLAS – TFET 可以说取得充分的突破！虽说目前来看，该晶体管目前仍在实验「晶体管本身」的性质，还很难马上被应用在数字集成电路，大家可以想像虽然他的单一「细胞」表现很好，但是还不能很好的跟其他细胞或是组织结合在一起。

虽然ATLAS – TFET 距离实际应用还有一段距离，但它确实提供了充满吸引力的研究方向，以期实现理想的工程目标，科学家也表示， ATLAS – TFET 若能跟现行的其他技术整合，我们可以期待未来相关电子元件的功能可以越来越强大！

注解：

集成电路所消耗功率，与集成电路中晶体管状态切换的频率与晶体管的工作电压成正比。频率更快相当于同一段时间内能做更多次操作，这样才能在更短的时间完成更多事。而以相同频率的基准比较，更高的工作电压代表更高的功率消耗，因此抑制工作电压大小可以非常有效的抑制功率消耗，也就是说，第二个问题导致了多余功率消耗的问题难以解决，最直接的影响就是会并产生有不必要的耗电。

工作电压被临界电压（ threshold voltage ）、次临界摆幅（ subthreshold swing ）所决定，因为传统场效晶体管的临界电压与次临界摆幅受到了限制，导致工作电压几乎无法再更低。其中，次临界摆幅（subthreshold swing）的定义为当汲极电流增加十倍时，所需要增加的栅极电压，是衡量晶体管开、关状态相互转换的速率的一项重要性能指标。