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金氧半场效晶体管的尺寸缩放

浏览次数: 日期:2015年9月21日 10:36

过去数十年来,金氧半场效晶体管的尺寸不断地变小。早期的集成电路金氧半场效晶体管制程里,沟道长度约在几个微米(micrometer)的等级。但是到了今日的集成电路制程,这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。2008年初,Intel开始以45纳米(nanometer)的技术来制造新一代的微处理器,实际的组件沟道长度可能比这个数字还小一些。至90年代末,金氧半场效晶体管尺寸不断缩小,让集成电路的性能大大提升,而从历史的角度来看,这些技术上的突破和半导体制程的进步有着密不可分的关系。金氧半场效晶体管的尺寸缩小越小的金氧半场效晶体管象征其沟道长度减少,让沟道的等效电阻也减少,可以让更多电流通过。虽然沟道宽度也可能跟着变小而让沟道等效电阻变大,但是如果能降低单位电阻的大小,那么这个问题就可以解决。 金氧半场效晶体管的尺寸变小意味着栅极面积减少,如此可以降低等效的栅极电容。此外,越小的栅极通常会有更薄的栅极氧化层,这可以让前面提到的沟道单位电阻值降低。不过这样的改变同时会让栅极电容反而变得较大,但是和减少的沟道电阻相比,获得的好处仍然多过坏处,而金氧半场效晶体管在尺寸缩小后的切换速度也会因为上面两个因素加总而变快。 金氧半场效晶体管的面积越小,制造芯片的成本就可以降低,在同样的封装里可以装下更高密度的芯片。一片集成电路制程使用的晶圆尺寸是固定的,所以如果芯片面积越小,同样大小的晶圆就可以产出更多的芯片,于是成本就变得更低了。 尺寸缩小的负面效应虽然金氧半场效晶体管尺寸缩小可以带来很多好处,但同时也有很多负面效应伴随而来金氧半场效晶体管的尺寸缩小后出现的困难把金氧半场效晶体管的尺寸缩小到一微米以下对于半导体制程而言是个挑战,不过现在的新挑战多半来自尺寸越来越小的金氧半场效晶体管组件所带来过去不曾出现的物理效应。次临限传导由于金氧半场效晶体管栅极氧化层的厚度也不断减少,所以栅极电压的上限也随之变少,以免过大的电压造成栅极氧化层崩溃(breakdown)。为了维持同样的性能,金氧半场效晶体管的临界电压也必须降低,但是这也造成了金氧半场效晶体管越来越难以完全关闭。也就是说,足以造成金氧半场效晶体管沟道区发生弱反转的栅极电压会比从前更低,于是所谓的次临限电流(subthreshold current)造成的问题会比过去更严重,特别是今日的集成电路芯片所含有的晶体管数量剧增,在某些VLSI的芯片,次临限传导造成的功率消耗竟然占了总功率消耗的一半以上。不过反过来说,也有些电路设计会因为金氧半场效晶体管的次临限传导得到好处,例如需要较高的转导/电流转换比(transconductance-to-current ratio)的电路里,利用次临限传导的金氧半场效晶体管来达成目的的设计也颇为常见。

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