FinFET(鰭式場效電晶體)
幾十年來,電晶體基本上都是平的:一條薄薄的通道平躺在矽的表面,閘極從上方壓在它身上,就像一隻手平放在桌面上。這套辦法一直運行得很漂亮,直到電晶體小到通道變得太短、再也控制不住為止。一旦源極和汲極擠得太近,閘極就抓不住了,電流會漏過去——哪怕這個開關本該是關斷狀態。這種漏電就是被白白浪費掉的功耗,也正是終結那個輕鬆微縮年代的一堵牆。FinFET 就是解藥:不再讓通道平躺著,而是把它立起來,變成一道薄薄的、垂直的矽牆,稱為鰭(fin),再讓閘極從頂上罩下來、沿著兩側一路包過去。現在閘極接觸通道的不再是一個面,而是三個面,於是它抓電流抓得牢得多,關斷也乾淨俐落。
一旦你把畫面想出來,這個直覺就很簡單了。只從一個面去控制一片薄通道,就像想用一根手指從上往下按、去把一根花園水管掐斷;而從三個面去控制,就像用整隻手把水管裹起來,一捏幾乎什麼都漏不過去。這種更緊的靜電控制,意味著在小尺寸下漏電更少、關斷態功耗更低,也意味著在老式平面電晶體早已無能為力的地方還能繼續微縮。FinFET 大約在 22nm 節點成為主流邏輯電晶體,並帶著高效能晶片一路走過了個位數奈米的那幾代製程。
值得記住的是,那些節點名字只是行銷標籤,並不是任何東西的物理寬度;所謂「7nm」的鰭,寬度根本遠不止 7nm。真正換來這份控制力的,是鰭的幾何形狀。最終,連三個面的包裹也不夠用了,下一步是讓閘極把通道從四個面整整一圈完全包起來——這就是 3nm 及以下由全環繞閘極(GAA)奈米片電晶體接棒的地方。
side view, gate cut away to show the channel
PLANAR (1 side) FinFET (3 sides) GAA / nanosheet (4 sides)
gate _gate_ __gate__
__|||___ | | | | | _____ |
|________| | | fin | | | |_____| | <- gate fully
channel | |_____| | | _____ | surrounds
----silicon---- |_silicon_| | |_____| | each sheet
|_silicon__|
gate on top only gate over top + 2 walls gate wraps every face閘極接觸通道的位置:從一個面(平面)到三個面(FinFET)再到四個面全包(全環繞閘極)。包裹得越多,控制越緊,元件微縮時漏電越少。
FinFET 是從平面時代通往全環繞閘極未來的一座橋:在通道不得不被徹底包圍之前,三面控制為微縮爭取到了大約十年的時間。