元器件入門分享之3D晶體管基礎(chǔ)知識(shí)大放送

一、3D三維晶體管的概念

3D三維晶體管，從技術(shù)上講，應(yīng)該是三個(gè)門晶體管。傳統(tǒng)的二維門由較薄的三維硅鰭(fin)所取代，硅鰭由硅基垂直伸出。門包圍著硅鰭。硅鰭的三個(gè)面都由門包圍控制，上面的頂部包圍一個(gè)門，側(cè)面各包圍一個(gè)門，共包圍三個(gè)門。在傳統(tǒng)的二維晶體管中只有頂部一個(gè)門包圍控制。英特爾對(duì)此作了十分簡(jiǎn)單的解釋：“由于控制門的數(shù)量增加，晶體管處于‘開(kāi)’狀態(tài)時(shí)，通過(guò)的電流會(huì)盡可能多;處于‘關(guān)’狀態(tài)時(shí)，電流會(huì)盡快轉(zhuǎn)為零，由此導(dǎo)致能耗降至最低。而且晶體管在開(kāi)與關(guān)兩種狀態(tài)之間迅速切換能夠顯著的提高電路性能。

實(shí)際上，3D晶體管就是tri-gate 和32nm的區(qū)別。3-D Tri-Gate三維晶體管相比于32nm平面晶體管可帶來(lái)最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗減少一半，這意味著它們更加適合用于小型掌上設(shè)備。3-D Tri-Gate晶體管能夠支持技術(shù)發(fā)展速度，它能讓摩爾定律延續(xù)數(shù)年。該技術(shù)能促進(jìn)處理器性能大幅提升，并且可以更節(jié)能，新技術(shù)將用在未來(lái)22納米設(shè)備中，包括小的手機(jī)到大的云計(jì)算服務(wù)器都可以使用。

二、3D三維晶體管的特點(diǎn)

3-D Tri-Gate使用一個(gè)薄得不可思議的三維硅鰭片取代了傳統(tǒng)二維晶體管上的平面柵極，形象地說(shuō)就是從硅基底上站了起來(lái)。

硅鰭片的三個(gè)面都安排了一個(gè)柵極，其中兩側(cè)各一個(gè)、頂面一個(gè)，用于輔助電流控制，而2-D二維晶體管只在頂部有一個(gè)。由于這些硅鰭片都是垂直的，晶體管可以更加緊密地靠在一起，從而大大提高晶體管密度。

三、3D三維晶體管的優(yōu)勢(shì)

3D晶體管 Tri-Gate使用一個(gè)薄得不可思議的三維硅鰭片取代了傳統(tǒng)二維晶體管上的平面柵極，形象地說(shuō)就是從硅基底上站了起來(lái)。硅鰭片的三個(gè)面都安排了一個(gè)柵極，其中兩側(cè)各一個(gè)、頂面一個(gè)，用于輔助電流控制，而2-D二維晶體管只在頂部有一個(gè)。由于這些硅鰭片都是垂直的，晶體管可以更加緊密地靠在一起，從而大大提高晶體管密度。

這種設(shè)計(jì)可以在晶體管開(kāi)啟狀態(tài)(高性能負(fù)載)時(shí)通過(guò)盡可能多的電流，同時(shí)在晶體管關(guān)閉狀態(tài)(節(jié)能)將電流降至幾乎為零，而且能在兩種狀態(tài)之間極速切換。Intel還計(jì)劃今后繼續(xù)提高硅鰭片的高度，從而獲得更高的性能和效率。Intel聲稱，22nm 3-D Tri-Gate三維晶體管相比于32nm平面晶體管可帶來(lái)最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗減少一半，這意味著它們更加適合用于小型掌上設(shè)備。

與之前的32納米平面晶體管相比，22納米3-D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%,而功耗下降一半。無(wú)疑，這一巨大的改進(jìn)意味著它們將是英特爾進(jìn)入小型手持設(shè)備的殺手武器?！辈捎眠@種技術(shù)的終端，僅要求晶體管在運(yùn)行時(shí)只用較少的電力進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。全新的晶體管只需消耗不到一半的電量，就能達(dá)到與32納米芯片中2-D平面晶體管一樣的性能?！翱卤缺硎?，”低電壓和低電量的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們通常從一代制程升級(jí)到下一代制程時(shí)所得到的好處。它將讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)師能夠靈活地將現(xiàn)有設(shè)備創(chuàng)新得更智能，并且有可能開(kāi)發(fā)出全新的產(chǎn)品?！?strong style="text-indent: 2em; ">四、3D三維晶體管技術(shù)

英特爾公司組件研究經(jīng)理Gerald Marcyk在日本名古屋召開(kāi)的國(guó)際固態(tài)設(shè)備和材料會(huì)議上發(fā)表技術(shù)論文，介紹了有關(guān)三閘晶體管的詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

Marcyk介紹說(shuō)，三閘晶體管顧名思義就是有三個(gè)閘，而不是一個(gè)，它與目前的技術(shù)不同。因此，三閘晶體管的表現(xiàn)更像個(gè)三維物體。晶體管的閘通常是控制晶體管中的電子在源極和漏極這兩個(gè)結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的。允許電子通過(guò)或者阻止電子通過(guò)，就產(chǎn)生了對(duì)計(jì)算有重要意義的1和0.

增加晶體管閘的數(shù)量就增加了能夠控制的電子流的總數(shù)并提高性能。更重要的是因?yàn)槿l晶體管的電子流可以分成三個(gè)渠道，因此能夠減少電子的泄漏。目前，晶體管的閘只有幾個(gè)原子厚，電子在傳輸中可能發(fā)生泄漏，隨著芯片構(gòu)件的縮小，這個(gè)問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。 英特爾公司的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手IBM公司正在研制雙閘晶體管，并且打算用這種晶體管制作一個(gè)完整的芯片。英特爾公司到目前為止只生產(chǎn)出實(shí)驗(yàn)性的晶體管。AMD公司也在從事雙閘晶體管的研究。

總之，英特爾推出的3D三柵極晶體管技術(shù)可以說(shuō)是晶體管技術(shù)上的一次革命，它打破了人們的固有思維，讓晶體管設(shè)計(jì)從平面上升到了立體，而英特爾新推出的第三代酷睿處理器就是基于22nm 3D三柵極晶體管技術(shù)。與之前的32納米平面晶體管相比，22納米3D三柵極晶體管在低電壓下將性能提高了37%,而且只需消耗不到一半的電量，就能達(dá)到與32納米芯片中2D平面晶體管一樣的性能。

五、3D三維晶體管的發(fā)展

據(jù)悉，英特爾表示，成功開(kāi)發(fā)世界首款名叫TRI-GATE的3D三維晶體管，在微處理器上實(shí)現(xiàn)了歷史性的技術(shù)突破