前言Preface過去四十年以來，作為數(shù)字芯片中電子開關(guān)的主要類型，CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）晶體管持續(xù)小型化使電子器件的性價比不斷提高。器件的微型化已經(jīng)造就了信息技術(shù)的無所不在，并且對于現(xiàn)代社會生活的方方面面產(chǎn)生了巨大的影響。
CMOS技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，所以持續(xù)的晶體管尺寸等比例縮小在未來將不會像過去那樣簡單可行。這一點從某些方面發(fā)展速度的放慢（比如，芯片電源電壓等比例減小，晶體管開態(tài)漏電流的等比例減小等）就可以看出。很明顯，開關(guān)設(shè)計需要改進，以此來維持下一個十年之后電子行業(yè)的發(fā)展。很多種類的替代開關(guān)設(shè)計正在被研究人員討論，其中許多開關(guān)設(shè)計用到了與傳統(tǒng)CMOS晶體管完全不同的工作原理。但是，在這飛速發(fā)展的領(lǐng)域中研究人員發(fā)表的文章很少具有指導(dǎo)性。因此，很多重要的新信息不能被主流電子領(lǐng)域研究人員所理解。
為了解決以上問題，我們與該研究領(lǐng)域一些公認(rèn)的專家共同創(chuàng)作了本書，包括：與性能與功耗的折中（激勵陡峭的亞閾值擺幅器件）相關(guān)的背景信息、隧道效應(yīng)器件、替代性場效應(yīng)器件，以及電子自旋（磁性）器件。本書結(jié)尾部分論述了這些新型開關(guān)設(shè)計之間互連存在的挑戰(zhàn)。
第一部分回顧了芯片設(shè)計的注意事項，并且基準(zhǔn)化了許多替代性的開關(guān)器件，重點論述了具有更陡峭亞閾值擺幅的器件。第1章介紹了過去晶體管尺寸等比例縮小中的基本概念，并且分析了密度、功耗和性能這些推動現(xiàn)代CMOS設(shè)計要素之間的關(guān)鍵折中。在持續(xù)的晶體管尺寸等比例縮放限制的背景下，本書也回顧了諸如電源門控和并行設(shè)計等電路設(shè)計技術(shù)。同時結(jié)合具有更陡峭亞閾值擺幅的新型CMOS器件的潛在優(yōu)勢，論述了由60mV/10倍頻程亞閾值擺幅限制造成的CMOS技術(shù)中的能量效率限制。第2章和第3章介紹并基準(zhǔn)化了相關(guān)研究領(lǐng)域中很多正在探索的替代性器件。這些章節(jié)主要關(guān)注電子器件（相對于磁性器件），它們包含了可以提高開關(guān)性能的新原理和新材料。第2章介紹了這些器件的歷史和工作原理。第3章主要從驅(qū)動電流、能量效率、制造成本、復(fù)雜程度和存儲單元面積等方面來評價這些器件。第4章探討了在CMOS晶體管柵疊層中引入鐵電層來克服60mV/10倍頻程亞閾值擺幅限制的方法。其中展示了理論和近期的實驗，用于支持通過小信號負(fù)電容來實現(xiàn)CMOS晶體管的可能性。
第二部分涵蓋了利用量子力學(xué)隧道效應(yīng)作為開關(guān)原理來實現(xiàn)更陡峭亞閾值擺幅的各種器件設(shè)計。根據(jù)同時實現(xiàn)陡峭亞閾值擺幅、大開關(guān)電流比和高開態(tài)電導(dǎo)的要求，第5章評估了隧道場效應(yīng)晶體管（TFET）的前景。其中研究了pn結(jié)維度的影響，論述了各種設(shè)計的折中，以及側(cè)面、垂直及雙層實現(xiàn)的優(yōu)點。根據(jù)各種設(shè)計要求，對近期的實驗數(shù)據(jù)進行了評價。第6章繼續(xù)對TFET進行論述，重點關(guān)注了Ⅲ~Ⅳ族半導(dǎo)體材料。該章論述了設(shè)計同質(zhì)結(jié)相對異質(zhì)結(jié)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料的折中，如何通過p溝道TEFT來實現(xiàn)高性能，以及與Ⅲ～Ⅴ族半導(dǎo)體材料特別相關(guān)的非理想性（比如陷阱、表面粗糙度和混合無序）。第7章通過評估用石墨烯和二維半導(dǎo)體材料制作的TEFT前景進一步探討了TEFT。該章介紹了面內(nèi)隧道效應(yīng)器件和層間隧道效應(yīng)器件，并結(jié)合理論上的理解對近期的實驗結(jié)果進行論述。第8章介紹了一種新型隧道效應(yīng)器件，即雙層偽自旋場效應(yīng)晶體管（BiSFET）。BiSFET依賴于實現(xiàn)室溫下兩個電介質(zhì)分離的石墨烯層中激子（電子空穴）超流體凝結(jié)的可能性。室溫下凝結(jié)的形成是BiSFET工作原理的關(guān)鍵所在。該章論述了創(chuàng)造這樣一個凝結(jié)現(xiàn)象的關(guān)鍵物理條件和挑戰(zhàn)。BiSFET的精簡模型和電路設(shè)計也將論述，同時體現(xiàn)其相對于CMOS的性能優(yōu)勢。
第三部分涵蓋了利用替代方法實現(xiàn)更高效開關(guān)性能的器件。第9章討論了使用相關(guān)電子材料制作器件的可能性，這種器件可以在絕緣體相和金屬相之間轉(zhuǎn)換。其中論述了這種金屬絕緣體轉(zhuǎn)換的物理機制，并著重論述了二氧化釩（VO2）系統(tǒng)。該章同時論述了Mott FET器件、固態(tài)VO2 FET器件和液態(tài)柵極VO2 FET器件，以及使用這些器件的電路結(jié)構(gòu)。第10章介紹了壓電晶體管（PET）器件。PET實質(zhì)上是一個固態(tài)繼電器，其中壓電單元提供了機械力，壓阻元件將機械力轉(zhuǎn)化為電子開關(guān)。該章同時論述了壓電和壓阻材料的基本物理原理，以及工藝集成的挑戰(zhàn)，也探討了PET動力學(xué)、精簡模型和電路設(shè)計，以及它們相對于CMOS的性能優(yōu)勢。第11章論述了作為邏輯開關(guān)的納米級機電繼電器。繼電器用機械運動從物理上縮短或斷開兩個接觸物之間的聯(lián)系，它有零開態(tài)漏電流的理想特征、極大的亞閾值擺幅和低的柵漏。該章還介紹了納米級繼電器特殊的材料要求和工藝集成的挑戰(zhàn)，描述了一系列用于更精簡的復(fù)雜邏輯電路實現(xiàn)的繼電器，并且論述了尺寸等比例縮小的方法。
第四部分涵蓋了利用磁效應(yīng)或電子自旋攜帶信息的器件。這些器件能用于實現(xiàn)納米磁邏輯（其中小磁體用于構(gòu)建電路）、電子自旋轉(zhuǎn)矩邏輯和電子自旋波邏輯（其中電子自旋用于表征信息）。第12章論述了利用微小單域磁體制造電路的可能性。該章同時介紹了單域納米磁體的開關(guān)特性和多種同步方案。該章提出了一個與CMOS不同的全加器結(jié)構(gòu)，并回顧了納米磁邏輯設(shè)計中的問題。第13章介紹了利用電子自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)來制造大多數(shù)邏輯門電路的