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半导体最热门新闻 鳍式电晶体(FinFET)
2015-10-30
 

  一年来半导体最热门的新闻,大概就属FinFET了。什么是 FET?FET 的全名是“场效电晶体(Field Effect Transistor,FET)”,先从“MOS”来说明。MOS 的全名是“金属-氧化物-半导体场效电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)”, 构造分“源极(Source)”, “汲极(Drain)”, “闸极(Gate)”,闸极下方有一层厚度很薄的氧化物,因为中间由上而下依序为金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor),因此称为“MOS”。
  MOSFET 的工作原理是,电子由源极流入,经过闸极下方的电子通道,由汲极流出,中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过。当闸极不加电压,电子无法导通,代表这个位是 0;当闸极加正电压,电子可以导通,代表这个位是 1。MOSFET 是目前半导体产业最常使用的一种场效电晶体(FET),科学家将它制作在硅晶圆上,是数位讯号的最小单位,一个 MOSFET 代表一个 0 或一个 1,就是电脑里的一个“位(bit)”。电脑是以 0 与 1 两种数位讯号来运算;在硅芯片上有数十亿个 MOSFET,就代表数十亿个 0 与 1,再用金属导线将这数十亿个 MOSFET 的源极、汲极、闸极连结起来,电子讯号在这数十亿个 0 与 1 之间流通就可以交互运算,最后得到使用者想要的加、减、乘、除运算结果,这就是电脑的基本工作原理。
  在 MOSFET 中,“闸极长度(Gate length)”大约 10 奈米,是所有构造中最细小也最难制作的,因此常常以闸极长度来代表半导体制程的进步程度,这就是所谓的“制程线宽”。闸极长度会随制程技术的进步而变小,从早期的 0.18 微米、0.13 微米,进步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米,到目前最新制程 10 奈米。当闸极长度愈小,则整个 MOSFET 就愈小,而同样含有数十亿个 MOSFET 的芯片就愈小,封装以后的积体电路就愈小。
  MOSFET 的结构自发明以来,到现在已使用超过 40 年,当闸极长度缩小到 20 奈米以下的时候,遇到了许多问题,其中最麻烦的是当闸极长度愈小,源极和汲极的距离就愈近,闸极下方的氧化物也愈薄,电子有可能产生“漏电(Leakage )”;另外一个更麻烦的问题,原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的,但是闸极长度愈小,则闸极与通道之间的接触面积愈小,也就是闸极对通道的影响力愈小,要如何才能保持闸极对通道的影响力(接触面积)呢?
  美国加州大学伯克莱分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明了“鳍式场效电晶体(Fin Field Effect Transistor,FinFET)”,把原本 2D 构造的 MOSFET 改为 3D 的 FinFET,因为构造很像鱼鳍 ,因此称为“鳍式(Fin)”。原本的源极和汲极拉高变成立体板状结构,让源极和汲极之间的通道变成板状,则闸极与通道之间的接触面积变大了,这样一来即使闸极长度缩小到 20 奈米以下,仍然保留很大的接触面积,可以控制电子是否能由源极流到汲极,因此可以更妥善的控制电流,同时降低漏电和动态功率耗损,就是可以更省电!
  简而言之,鳍式场效电晶体是闸极长度缩小到 20 奈米以下的关键,拥有这个技术的制程与专利,才能确保未来在半导体市场上的竞争力,这也是让许多国际大厂趋之若骛的主因。
 
 资料来源: technews
 
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