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隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管的尺寸不斷縮小，從微米級(jí)別逐漸進(jìn)入納米級(jí)別。在這個(gè)過(guò)程中，傳統(tǒng)的MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和平面型晶體管逐漸面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，而FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）作為一種新型的三維晶體管結(jié)構(gòu)，應(yīng)運(yùn)而生并逐漸成為主流。本文將詳較FinFET與MOSFET的性能特點(diǎn)，并探討它們?cè)诓煌瑧?yīng)用場(chǎng)景中的適用性。

MOSFET面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)芯片尺寸縮小到28 nm節(jié)點(diǎn)以下時(shí)，傳統(tǒng)的MOSFET晶體管開(kāi)始面臨一系列問(wèn)題，這些問(wèn)題限制了其在更小尺寸下的應(yīng)用：

漏電流/Leakage current: 

在28納米以下的工藝節(jié)點(diǎn)，MOSFET晶體管即使在柵極關(guān)閉的情況下，源極和漏極之間也會(huì)出現(xiàn)電子泄漏。這導(dǎo)致芯片的功耗增加，能效降低。

散熱問(wèn)題/Heat dissipation: 

隨著芯片和晶體管尺寸的縮小以及集成度的提高，單位面積產(chǎn)生的熱量增加，這可能會(huì)降低芯片的性能和可靠性。

短溝道效應(yīng)/SCE: 

當(dāng)MOSFET晶體管的溝道長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）閾值電壓變化：閾值電壓是開(kāi)啟晶體管所需的電壓。如果閾值電壓下降，晶體管可能會(huì)在應(yīng)該關(guān)閉時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài)。

2）漏極感應(yīng)勢(shì)壘降低（DIBL）：DIBL會(huì)導(dǎo)致閾值電壓下降，使晶體管柵極在應(yīng)該關(guān)閉時(shí)更容易打開(kāi)，從而導(dǎo)致更高的功耗。

FinFET的出現(xiàn)與優(yōu)勢(shì)

1999年，胡正明教授發(fā)現(xiàn)，如果在MOSFET的柵極上增加一個(gè)垂直的“鰭”結(jié)構(gòu)，可以解決上述大部分問(wèn)題，從而誕生了FinFET晶體管。與平面型MOSFET相比，F(xiàn)inFET的主要改進(jìn)包括：

低漏電流

FinFET的鰭結(jié)構(gòu)提供了更好的隔離效果，當(dāng)柵極處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，柵極完全密封，減少了漏電流。這使得電子更難通過(guò)半導(dǎo)體的絕緣層隧穿，從而降低了能耗。

改善散熱

鰭結(jié)構(gòu)增加了表面積，有助于更好地散熱，這對(duì)于芯片的性能和可靠性至關(guān)重要。較低的漏電流也意味著產(chǎn)生的熱量更少。

降低DIBL

鰭結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了更有效的電場(chǎng)，提供了對(duì)溝道的更好控制。可以說(shuō)，鰭結(jié)構(gòu)使得電子在應(yīng)該保持靜止時(shí)更難移動(dòng)。

更好的閾值電壓控制

閾值電壓在晶體管周?chē)右恢?，確保了柵極的正常功能。

總體而言，F(xiàn)inFET在 28nm 以下的工藝節(jié)點(diǎn)提供了比MOSFET更好的靜電控制，從而實(shí)現(xiàn)了更快的開(kāi)關(guān)速度，使其更適合用于移動(dòng)設(shè)備或高性能計(jì)算（HPC）等高速應(yīng)用。然而，對(duì)于汽車(chē)或消費(fèi)電子等成熟應(yīng)用，MOSFET仍然具有足夠的性能，并且由于其制造成本較低，仍然是一個(gè)合適的選擇。

Summary

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)inFET和MOSFET各自在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。FinFET以其低漏電流、良好的散熱性能和對(duì)短溝道效應(yīng)的有效控制，成為先進(jìn)制程芯片制造的首選。然而，對(duì)于一些對(duì)成本敏感且性能要求不那么高的應(yīng)用，MOSFET仍然是一個(gè)經(jīng)濟(jì)且可靠的選擇。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們可能會(huì)看到更多新型晶體管結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求和能效挑戰(zhàn)。

Reference:

1.https://techlevated.com

2.Reducing the Short Channel Effect of Transistors and Reducing the Size of Analog Circuits