晶片變小會有漏電問題,台積電如何克服?用水管的比喻,帶你看懂電晶體微縮技術

2024-04-17 10:40

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其次,再將沒有帶電的另一枚金屬板B平行靠近,結果金屬板B就會因為靜電感應被金屬板A的正電荷所吸引,內側就會產生負電荷,與之等量的正電荷則會在金屬板B的外側極化。結果,金屬板A的正電荷就也會集中在內側。

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接下來,若是將金屬板B與地面接觸,金屬板B外側極化的正電荷就會逃到地面上去。但是,金屬板B內側的負電荷會受到金屬板A正電荷的吸引而無法移動。最後電容器的內部電場就會積滿了電荷。

在此,將金屬板B置換為P型半導體基板的就是NMOS。

若給予金屬板A的閘極夠高於源極的電位,閘極就會被賦予正電荷,而與閘極相對的P型半導體基板表面則會充滿了負電荷。這個負電荷也就是所謂的電子只要夠多,半導體基板的表面就會「反轉成N型」,並且形成電子通道的路徑。

就像這樣,來自閘極的電場效果就控制著通路。

但是,除了閘極之外,還潛藏有會影響通路的電容器。那就是汲極。

其實在汲極與半導體基板的介面上,汲極的電子會擴散到P型半導體基板上,而P型半導體基板的電洞則會擴散到汲極上。有點像是拿掉了容器中預先放置用以分開砂糖與鹽巴的板子,結果兩者混和在了一起。不同的是,電子與電洞之間有靜電的作用,只會混雜一點點,不會再擴散更多。

結果,在汲極與半導體基板的介面上,就形成了空乏層,沒有能自由移動的電荷。這就形成了絕緣膜,打造出了電容器來。

若縮小電晶體,源極與汲極的距離就會縮短,汲極的空乏層則會接近源極。也就是說,從源極來看,汲極也是小的閘極。

因此,即便關閉閘極,只要給予汲極正的電位,封閉源極電子的障壁就會稍微下降而漏電。

即便只有一點點的漏電,若是將電晶體集成為一百億個時,漏電就會變得很大。

漏電的原因出在閘極的控制力變糟了。那麼,該怎麼做才能改善閘極的控制力呢?

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首先採取的方法是改變材料。

將閘極的氧化膜改變成電容率較高的材料。這也是一個有效的方法,但是隨著微細化的進展,這樣的效率最終也變得比較低了。

其次是只能改變構造。

因此將閘極一分為二,將構造改變成是從兩側來夾住通道。在通道下方製作新追加的通道會提高製造成本,所以就將通道立在半導體基板的表面,在兩側製作閘極。

這就是FinFET(圖3-3中央)。這個場效電晶體(Field-Effect Transistor; FET)的得名是源於其形狀很像魚鰭(Fin)。自16 nm世代起就採用了這樣的電晶體。

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