随着半导体技术的不断发展，晶体管的尺寸不断缩小，从微米级别逐渐进入纳米级别。在这个过程中，传统的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和平面型晶体管逐渐面临一些技术挑战，而FinFET（鳍式场效应晶体管）作为一种新型的三维晶体管结构，应运而生并逐渐成为主流。本文将详较FinFET与MOSFET的性能特点，并探讨它们在不同应用场景中的适用性。

 

MOSFET面临的挑战

 

当芯片尺寸缩小到28 nm节点以下时，传统的MOSFET晶体管开始面临一系列问题，这些问题限制了其在更小尺寸下的应用：

 

漏电流/Leakage current: 

在28纳米以下的工艺节点，MOSFET晶体管即使在栅极关闭的情况下，源极和漏极之间也会出现电子泄漏。这导致芯片的功耗增加，能效降低。

 

散热问题/Heat dissipation: 

随着芯片和晶体管尺寸的缩小以及集成度的提高，单位面积产生的热量增加，这可能会降低芯片的性能和可靠性。

 

短沟道效应/SCE: 

当MOSFET晶体管的沟道长度过短时，会出现以下问题：

1）阈值电压变化：阈值电压是开启晶体管所需的电压。如果阈值电压下降，晶体管可能会在应该关闭时处于开启状态。

2）漏极感应势垒降低（DIBL）：DIBL会导致阈值电压下降，使晶体管栅极在应该关闭时更容易打开，从而导致更高的功耗。

 

FinFET的出现与优势

 

1999年，胡正明教授发现，如果在MOSFET的栅极上增加一个垂直的“鳍”结构，可以解决上述大部分问题，从而诞生了FinFET晶体管。与平面型MOSFET相比，FinFET的主要改进包括：

 

低漏电流

FinFET的鳍结构提供了更好的隔离效果，当栅极处于“关闭”状态时，栅极完全密封，减少了漏电流。这使得电子更难通过半导体的绝缘层隧穿，从而降低了能耗。

 

改善散热

鳍结构增加了表面积，有助于更好地散热，这对于芯片的性能和可靠性至关重要。较低的漏电流也意味着产生的热量更少。

 

降低DIBL

鳍结构创造了更有效的电场，提供了对沟道的更好控制。可以说，鳍结构使得电子在应该保持静止时更难移动。

 

更好的阈值电压控制

阈值电压在晶体管周围更加一致，确保了栅极的正常功能。

 

总体而言，FinFET在 28nm 以下的工艺节点提供了比MOSFET更好的静电控制，从而实现了更快的开关速度，使其更适合用于移动设备或高性能计算（HPC）等高速应用。然而，对于汽车或消费电子等成熟应用，MOSFET仍然具有足够的性能，并且由于其制造成本较低，仍然是一个合适的选择。

 

Summary

 

随着半导体技术的不断发展，FinFET和MOSFET各自在不同的应用场景中发挥着重要作用。FinFET以其低漏电流、良好的散热性能和对短沟道效应的有效控制，成为先进制程芯片制造的首选。然而，对于一些对成本敏感且性能要求不那么高的应用，MOSFET仍然是一个经济且可靠的选择。未来，随着技术的进一步发展，我们可能会看到更多新型晶体管结构的出现，以满足不断增长的计算需求和能效挑战。

 

Reference:

1.https://techlevated.com

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

 

来源：十二芯座

关键词： 芯片 晶体管