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一个梁孟松 让台积电的FinFET输给了三星

2015-09-18 10:32
魏丁小陆
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  打开这一年来半导体最热门的新闻,大概就属FinFET了,例如:iPhone 6s内新一代A9应用处理器采用新电晶体架构很可能为鳍式电晶体(FinFET),代表FinFET开始全面攻占手机处理器、三星与台积电较劲,将10 奈米 FinFET 正式纳入开发蓝图 、联电携 ARM,完成 14 奈米 FinFET 制程测试。到底什么是FinFET?它的作用是什么?为什么让这么多国际大厂趋之若骛呢?

  什么是FET?

  FET 的全名是“场效电晶体(Field Effect Transistor,FET)”,先从大家较耳熟能详的“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)”, 构造如图一所示,左边灰色的区域(矽)叫做“源极(Source)”,右边灰色的区域(矽)叫做“汲极(Drain)”,中间有块金属(红色)突出来叫做“闸极(Gate)”,闸极下方有一层厚度很薄的氧化物(黄色),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 的工作原理与用途

  MOSFET 的工作原理很简单,电子由左边的源极流入,经过闸极下方的电子通道,由右边的汲极流出,中间的闸极则可以决定是否让电子由下方通过,有点像是水龙头的开关一样,因此称为“闸”;电子是由源极流入,也就是电子的来源,因此称为“源”;电子是由汲极流出,看看说文解字里的介绍:汲者,引水于井也,也就是由这里取出电子,因此称为“汲”。

  当闸极不加电压,电子无法导通,代表这个位元是 0,如图一(a)所示;

  当闸极加正电压,电子可以导通,代表这个位元是 1,如图一(b)所示。

  MOSFET 是目前半导体产业最常使用的一种场效电晶体(FET),科学家将它制作在矽晶圆上,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“位元(bit)”。电脑是以 0 与 1 两种数位讯号来运算;我们可以想像在矽晶片上有数十亿个 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。晶圆厂像台积电、联电,就是在矽晶圆上制作数十亿个 MOSFET 的工厂。

  闸极长度: 半导体制程进步的关键

  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,因此我们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 的晶片就愈小,封装以后的积体电路就愈小,最后做出来的手机就愈小啰!。10 奈米到底有多小呢?细菌大约 1 微米,病毒大约 100 奈米,换句话说,人类现在的制程技术可以制作出只有病毒 1/10(10 奈米)的结构,厉害吧!

  注:制程线宽其实就是闸极长度,只是图一看起来 10 奈米的闸极长度反而比较短,因此有人习惯把它叫做“线宽”。

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