一文看懂3D晶體管

　　上圖是最近比較常用的MOS元件結(jié)構(gòu)，我們可以發(fā)現(xiàn)和之前列出來(lái)的簡(jiǎn)圖有不少差異，事實(shí)上增加的部份都是為了避免通道產(chǎn)生速度過(guò)慢、短通道效應(yīng)、性能不良等等問(wèn)題而來(lái)。但是這些解法也會(huì)帶來(lái)副作用，互相牽制以致沒(méi)有一個(gè)完美的解決方案。(不然大家趕著變成3D干嘛?)

　　影響推動(dòng)力的最主要因素還是來(lái)自于短通道效應(yīng)，特別是本身就已經(jīng)夠短的30nm閘極通道更容易發(fā)生。為了解決短通道效應(yīng)，有人會(huì)預(yù)先在通道形成的部位加入雜質(zhì)，使得原本的NP接面導(dǎo)通電壓下降。其原理就是讓P型半導(dǎo)體不要這么偏向P型，有點(diǎn)接近N型，但是這樣一來(lái)也造成了通道切斷時(shí)很可能會(huì)有漏電流，因?yàn)榻槊娴哪苷献冃?，而且加入雜質(zhì)會(huì)創(chuàng)造許多自由電子和電洞成對(duì)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)。

　　▲短通道效應(yīng)：通道提早縮水了

　　關(guān)不掉的晶體管

　　在沒(méi)有外部電場(chǎng)的情況下，這成對(duì)的電子和電洞因靜電力平衡會(huì)再度中和掉對(duì)方而消失;但是當(dāng)有外部電場(chǎng)(源極有電壓的時(shí)候)時(shí)，這些隨機(jī)產(chǎn)生的電子就會(huì)變成額外的導(dǎo)電品，使得晶體管永遠(yuǎn)關(guān)不起來(lái)。原本我們希望閘極在拉高電位一到飽和態(tài)后，晶體管就可以把源極的輸出降到零，現(xiàn)在辦不到了?這就叫做關(guān)閉態(tài)的漏電流。就算我們不加入雜質(zhì)讓能障變小，當(dāng)閘極電壓小于汲極電壓太多時(shí)，這個(gè)能障一樣會(huì)變小，在30nm以下的晶體管中產(chǎn)生漏電流的比例就會(huì)遠(yuǎn)高于過(guò)去90nm或120nm的晶體管了。

　　▲關(guān)不起來(lái)的電壓

　　閘極太短的漏電流

　　▲閘極過(guò)短導(dǎo)致的漏電

　　在上圖中，我們又看到了另一種漏電流的產(chǎn)生原因，當(dāng)我們的電場(chǎng)施加于3個(gè)極時(shí)，我們可以看到因靜電力之故，某些區(qū)域的電子、電洞都飄往源極以及汲極，并且閘極為了形成通道也會(huì)吸取中間部位大多的電子、電洞聚集到通道，這些被吸走電洞、電子的區(qū)域形成了空乏區(qū)，這空乏區(qū)沒(méi)什么能障，原本也沒(méi)什么作用，但是若是閘極通道很短就好玩了。

　　我們看到圖中的汲極到源極之間除了通道外全部被空乏區(qū)連起來(lái)了，任何不小心落入這空乏區(qū)的電荷都會(huì)被來(lái)自汲極的電場(chǎng)用力一推，就往源極跑出去了!(額外不受控制的電流輸出，又是一個(gè)漏電的來(lái)源)

　　推動(dòng)力不足也可能是因?yàn)樾纬赏ǖ赖碾姾闪烤褪遣粔?，造成通道太薄太小，如果我們使用增加晶體管寬度的方法解決這種問(wèn)題，就會(huì)造成制造成本升高，但是如果增加通道形成區(qū)附近的雜質(zhì)，又會(huì)漏電。所以最好的方法恐怕只有換一個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)了!

　　寄生電容

　　由于材料介接的影響，對(duì)于高頻訊號(hào)來(lái)說(shuō)，原本良好的導(dǎo)體其實(shí)訊號(hào)跑起來(lái)并沒(méi)這么良好。會(huì)跑出訊號(hào)經(jīng)過(guò)電容器一般的濾波效應(yīng)，讓訊號(hào)變差，但是我們明明沒(méi)有在導(dǎo)體上面放電容器，這個(gè)電容效應(yīng)是導(dǎo)體自發(fā)的物理現(xiàn)象，所以我們叫它寄生電容。

　　本征電子

　　就如同高中提到的酸堿平衡一樣，水的成分是氧化氫，但是就算是純水，其中也會(huì)固定解離出等量的氫離子和氫氧根離子。我們?cè)诓牧现蟹胚M(jìn)雜質(zhì)以利產(chǎn)生電洞時(shí)，也會(huì)因熱效應(yīng)而產(chǎn)生一些等量的電子和電洞，但是他們出現(xiàn)一下子就又會(huì)結(jié)合在一起了，就好像情人暫時(shí)分手但是馬上又復(fù)合一樣。而當(dāng)某一對(duì)分手的電子電洞復(fù)合的時(shí)候，又會(huì)有另一對(duì)分手，所以材料中永遠(yuǎn)會(huì)有一些自由電子，這叫本征電子(洞)。