Verständnis der FinFET -Struktur (Fin -Feld -Effekt -Transistor), Typen und Anwendung

Als traditionelle planare MOSFETs ihre Grenzen bei kleineren Knoten erreichten, wurden übermäßige Leckagen und schlechte Kontrolle zu Hauptproblemen.Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten die Forscher FinFET-einen 3D-Transistor mit mehreren Gate, der eine bessere Leistung bietet.In diesem Artikel wird untersucht, wie Finfet funktioniert, seine Vorteile, Typen und warum er planare MOSFETs in der modernen Chipherstellung ersetzt hat.

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Abbildung 1. Finfet

Finfet verstehen

Ein FINFET- oder FIN-Feldeffekttransistor ist ein modernes Transistordesign, das für die Herstellung von Semiconductor verwendet wird.Im Gegensatz zu herkömmlichen planaren MOSFETs, die auf dem Siliziumwafer flach liegen, verwenden Flossen eine dreidimensionale Struktur, wobei eine dünne vertikale "Flosse" den Kanal zwischen Quelle und Abflussanschlüssen bildet.

Abbildung 2. Planar FET und Finfet

Der Name stammt aus dieser unverwechselbaren flossenähnlichen Form, die der Rückenflosse eines Fisches ähnelt, wenn er von oben betrachtet wird.Diese vertikale Flosse ist der Kern des Geräts und wird von einem Tor gesteuert, das sich auf drei Seiten umsetzt.Dieser Multi-Gate-Ansatz bietet eine bessere elektrostatische Kontrolle über den Kanal, was immer wichtiger wird, wenn Transistoren in der Größe schrumpfen.

Es wurden Finfets entwickelt, um die Leistungs- und Leistungsbeschränkungen der planaren Transistoren an kleineren Technologieknoten anzugehen.Ihr nicht planarer Design reduziert die Leckage, verbessert die Stromregelung und ermöglicht eine fortgesetzte Skalierung von Geräten unter 20 Nanometern.Infolgedessen sind Finfets zum Standard für das moderne Chip -Design geworden.

Grundstruktur der Finfet -Technologie

Abbildung 3. Struktur der Finfet -Technologie

Um zu verstehen, wie ein Finfet funktioniert, ist es wichtig, seine Kernkomponenten zu untersuchen: Flossen, Gate, Quelle, Abfluss und Substrat.

Flosse

Die Flosse ist das zentrale Merkmal eines FinFET.Es ist ein dünner, vertikaler Streifen aus Halbleitermaterial, typischerweise Silizium, der als Kanal des Transistors fungiert.Der Begriff "Finfet" stammt aus dieser flossenähnlichen Struktur.Im Gegensatz zu dem flachen Kanal in einem planaren MOSFET erhöht die 3D -Flosse den effektiven Kanalbereich, sodass eine bessere Kontrolle über den Stromfluss und die Verringerung der Leckagen eine bessere Kontrolle ermöglicht.

Tor

Das Tor in einem Finfet wickelt sich auf drei Seiten um die Flosse und erzeugt eine Tri-Gate-Struktur.Dieses Design gibt dem Tor im Vergleich zu herkömmlichen Transistoren eine stärkere elektrostatische Kontrolle über den Kanal.Das aus Metall hergestellte Tor reguliert den Stromfluss zwischen der Quelle und dem Abfluss, indem der Kanal ein- oder ausgeschaltet wird.Einige Finfets können mehrere Tore enthalten, um die Kontrolle und Leistung weiter zu verbessern.

Quelle und Abfluss

Die Quelle und der Abfluss dienen als Eingangs- und Ausgangspunkte für den elektrischen Strom.Die Quelle injiziert Träger in den Kanal, und der Abfluss sammelt sie nach dem Durchlaufen.Wie bei einem herkömmlichen MOSFET wird der Abfluss mit einem höheren Potential als die Quelle gehalten.Die Gate -Spannung bestimmt, ob der Kanal den Strom fließen lässt.

Substrat

Das Substrat bildet die Basis der FinFET -Struktur.Es unterstützt die anderen Komponenten und isoliert jedes Gerät auf dem Chip elektrisch.Ein gut gestaltetes Substrat ist für die Minimierung von Störungen und die Gewährleistung einer stabilen Leistung über dicht gepackte Schaltungen unerlässlich.

Arbeitsprinzip von Finfet

FinFET verwendet eine dünne, vertikale Siliziumflosse als Kanal, durch den die Stromflüsse fließen.Das Tor wickelt sich an drei Seiten um die Flosse und ermöglicht eine bessere Kontrolle über den Fluss von Ladungsträgern zwischen Quelle und Abfluss.

Wenn eine Spannung auf das Tor angelegt wird, erzeugt sie ein elektrisches Feld, das den Kanal einschalten und den Strom vergehen lassen.Das Entfernen der Gate -Spannung schaltet den Kanal aus und stoppt den Stromfluss.Diese Einschaltanlage ermöglicht digitale Logikvorgänge.

Die 3D-Struktur des Gate verbessert die elektrostatische Kontrolle, verringert die Leckage und minimiert die Auswirkungen von kurzkanalem.Dies macht FinFET effizienter und skalierbarer als herkömmliche planare MOSFETs, insbesondere bei kleineren Prozessknoten.

Berechnung der Finfet -Transistorbreite

Lassen Sie uns verstehen, wie die Transistorbreite berechnet wird.Im Gegensatz zu planaren Geräten, bei denen die Breite kontinuierlich variieren kann, verwenden Finfets eine quantisierte Breite.Dies bedeutet, dass die Transistorbreite die festen Schritte basierend auf der Geometrie der FILL erhöht.Sie können keine willkürlichen Breiten festlegen.Stattdessen müssen Sie die Anzahl und Größe der Flossen anpassen.

Abbildung 4. Geometrische Parameter der quantisierten Transistorbreite von Finfet

Um die Breite zu berechnen, müssen Sie drei wichtige Dimensionen verstehen:

• Gatelänge (LG): Der horizontale Abstand entlang des Stromflusses.

• Flossenhöhe (HFIN): Die vertikale Länge der Flosse.

• Flossendicke (T): Die Breite der Flosse gemessen von Seite zu Seite.

Diese Messungen beeinflussen direkt die Fähigkeit des Transistors, Strom zu führen.Die Methode zur Berechnung der Breite hängt von der Art der FinFET -Struktur ab:

In einem doppelten Flossen fließen die Strom entlang beiden vertikalen Seiten der Flosse.Die Transistorbreite ist:

In einem Tri-Gate-Finfet fließt die Strom auf beiden vertikalen Seiten und der Oberseite der Flosse.Die Transistorbreite wird:

Um die gesamte Transistorbreite zu erhöhen, fügen Designer mehrere Flossen hinzu.Jede Flosse fügt eine feste Breite hinzu, die auf den obigen Formeln basiert.Die insgesamt effektive Breite beträgt:

Hier ist n die Anzahl der Flossen.Dieser modulare Ansatz ermöglicht eine präzise Kontrolle der Antriebsstärke des Transistors, indem Flossen nach Bedarf hinzugefügt oder entfernt werden.

Eine dünnere Flosse verbessert die elektrostatische Kontrolle und reduziert die Auswirkungen auf die Kurzkanal.Es verbessert auch den Unterschwellenschwung, was ein Maß dafür ist, wie effektiv der Transistor ausschaltet.Besserer Unterschwellen -Swing führt zu einem geringeren Stromverbrauch und einer verbesserten Schaltleistung.

Verschiedene Arten von Finfet

Finfets können basierend auf zwei Hauptfaktoren kategorisiert werden: der Anzahl der Gates und der Art des Substrats, auf dem sie gebaut werden.

Finfet -Klassifizierung nach Anzahl der Tore

Die Anzahl und Konfiguration von Gates in einem FinFET beeinflusst direkt die elektrischen Eigenschaften und die Kontrollgenauigkeit.Basierend darauf sind Finfets in zwei Arten unterteilt: Shorted Gate Finfet und unabhängiges Gate -Finfet.

Abbildung 5. Flossentypen

• kurzgeschnittenes Gate Finfet - Die vorderen und hinteren Tore sind elektrisch verbunden und funktionieren als einzelne Steuereinheit.Dieses Design erzeugt ein Drei-terminaler Gerät, das die Integration der Schaltung vereinfacht und weniger Siliziumbereich erfordert.Da die Tore jedoch verknüpft sind, gibt es keine externe Kontrolle über die Schwellenspannung, die die Stimmflexibilität begrenzt.

• Unabhängige Gate Finfet - Merkmale elektrisch isolierte Vorder- und Rückentore.Jedes Tor kann separat vorgespannt werden, was es zu einem Vier-terminalen Gerät macht, das eine größere Kontrolle über den Kanal bietet.Mit dieser Konfiguration können Sie die Schwellenspannung extern anpassen, was zur Optimierung der Leistung unter dynamischen Bedingungen nützlich ist.Obwohl dieser Typ mehr Bereich erfordert, ist er ideal für Anwendungen, die eine präzise Kontrolle und Anpassungsfähigkeit erfordern.

Finfet -Klassifizierung nach Substrattyp

Finfets werden basierend auf dem Substratmaterial in Bulk Finfet und SOI Finfet eingeteilt.

Abbildung 6. Flossentypen

• Bulk -Finfet - Erbaut auf einem herkömmlichen Siliziumwafer, was es relativ einfach und kostengünstig macht.Verunreinigungen im Silizium können jedoch die Kanalleistung beeinflussen und es schwieriger zu steuern.Die Isolation zwischen Geräten muss während des Herstellungsprozesses getrennt behandelt werden.Infolgedessen verbrauchen Schüttgüter tendenziell mehr Leistung und weisen einen höheren Leckstrom auf.

• Soi Finfet -Konstruiert auf einem Silizium-auf-In-Isiser-Wafer, der eine vergrabene Oxidschicht unter dem aktiven Silizium enthält.Diese Struktur bietet eine bessere elektrische Isolierung, reduziert die Leckage und verbessert die Schwellenspannungsregelung.Obwohl SOI-Finfets teurer und komplexer sind, bieten sie einen geringeren Stromverbrauch und eine verbesserte Leistung, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-Designs.

Vor- und Nachteile der FinFET -Technologie

Finfet -Vorteile

• Bessere Kanalkontrolle.Die Multi-Gate-Struktur bietet eine stärkere elektrostatische Kontrolle über den Kanal.

• Reduzierte kurzkanalige Effekte.Begrenzt Probleme wie Schwellenspannung und DIBL in skalierten Geräten.

• Niedrigerer Leckstrom.Eine verbesserte Gate-Kontrolle reduziert den Strom des Stadiums erheblich.

• schnelleres Schalten.Ein höherer Antriebsstrom und eine verringerte Kapazität ermöglichen schnellere Übergänge.

• Niedriger Stromverbrauch.Arbeitet bei niedrigeren Spannungen mit minimaler Leckage und Einsparungsstrom.

• Höherer Antriebsstrom.Die 3D -Struktur ermöglicht mehr Strom pro Fußabdruck im Vergleich zu planaren CMOs.

• Verbesserte Skalierbarkeit.Geeignet für Technologieknoten unter 22 nm.

• Verbesserte Zuverlässigkeit.Beständiger gegen Heißträger und Schwellenspannungsabbau.

Finfet -Nachteile

• Komplexe Herstellung.Erfordert fortgeschrittene Lithographie und Ätzen, steigende Kosten.

• Quantisierte Breite.Die Transistorgrößen beschränkt sich auf ganzzahlige Vielfache von Flossen.

• hohe parasitäre Kapazität.Die 3D -Struktur führt zu einer zusätzlichen Kapazität zwischen den Terminals.

• Eckffekte.Amplifizierte elektrische Felder an Flossenkanten beeinflussen die Leistung.

• Schwierige Schwellenspannungsregelung.Feinabstimmungsdynamischer VTH ist schwieriger als bei planaren Geräten.

• Wärmeprobleme.Schmale Flossen beschränken die Wärmeableitung und verursachen thermischen Widerstand.

• Layoutbeschränkungen.Weniger flexibel für das analoge und gemischte Signalschaltungsdesign.

Anwendung von FinFET

• Smartphones und Tablets - für niedrige Stromverbrauch und schnelle Verarbeitung.

• CPUs und GPUs - FinFET verbessern die Leistung und reduzieren Sie die Wärme in Computern und Servern.

• AI- und maschinelles Lernen-Chips-für Hochgeschwindigkeits-energieeffiziente Datenverarbeitung.

• Rechenzentren - FINFET behandeln große Workloads mit besserer Stromeffizienz.

• Automobilsysteme - in ADAS, Infotainment und autonomem Fahren für zuverlässige Leistung.

• IoT -Geräte - für eine verlängerte Akkulaufzeit und kompaktes Design.

• Wearables-Finfet-Stütze leichter Betrieb mit geringer Leistung.

• 5G- und Kommunikationshardware-für die Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung mit niedriger Latenz.

Finfets Design -Herausforderungen

Während Chip -Designs zu fortschrittlichen Prozessknoten wie 7nm und unten wechseln, ermöglicht die FinFET -Technologie eine bessere Leistung und Energieeffizienz.Es führt jedoch auch neue Komplexitäten, die jede Phase des Designflusses beeinflussen.Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Herausforderungen und wie sie sich auf das Finfet-basierte Design auswirken.

• Komplexität der Mehrfachmaterialien. Fortgeschrittene Prozessknoten erfordern eine komplexe Multi-Muster-Lithographie.Dies führt zu strengen Layout -Regeln für Maskenfärben und Abstand.Designer müssen regelbezogene Platzierung und Routing verwenden, um die Einhaltung der Einhaltung zu gewährleisten und kostspielige Änderungen in letzter Minute zu vermeiden.

• Überprüfungsrisiken im späten Stadium. Wenn Sie sich nur auf die Überprüfung der Anmeldung verlassen, verzögert die Entdeckung physischer Probleme.Durch die physikalische Überprüfung der eingestellten physischen Überprüfung können Teams frühzeitig Verstöße erfassen, wodurch die Anzahl der Design-Iterationen verringert und die Konvergenz beschleunigt wird.

• Erhöhte Variabilität der Fertigungsvariabilität. Kleinere Geometrien erhöhen die Empfindlichkeit gegenüber Prozessvariationen.Diese Variationen wirken sich auf das Signalzeitpunkt, die Zuverlässigkeit und die Leistung aus.Genaue Extraktions- und Zeitanalyse sind für die effektive Modellierung und Verwaltung dieser Variabilität von wesentlicher Bedeutung.

• Hochleistungs-Designdruck. FinFET-based systems often operate at multi-GHz speeds and integrate billions of transistors.Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind EDA-Tools mit hoher Kapazität erforderlich, die eine schnelle, multi-core-Verarbeitung unterstützen und große, komplexe Designs effizient umgehen.

• Trennung des Entwurfsflusses. Traditionelle, silige Designprozesse verlangsamen Entwicklung und führen Fehler ein.Ein integrierter RTL-to-Signoff-Fluss verbessert die Vorhersagbarkeit, verkürzt die Designzyklen und erhöht das Vertrauen in die Endergebnisse.

• Integration mit gemischtem Signaldesign. Viele fortgeschrittene Notendesigns kombinieren digitale und analoge Komponenten.EDA-Tools müssen eine maßgeschneiderte Co-Design unterstützen, um eine genaue Wechselwirkung zwischen Subsystemen zu gewährleisten und die Gesamtleistung aufrechtzuerhalten.

• Herausfordernde Designregeln. Fortgeschrittene Knoten beinhalten dichte Layouts und komplexe Designregeln.Die Tools müssen automatisierte Regelprüfung und -reparatur bereitstellen, um Verstöße ohne manuelle Eingriff zu beheben, wodurch menschliche Fehler und Entwurfszeit verkürzt werden.

• Meldung und Umsetzung von Fehlausrichtungen. Unzählige Anmeldungs- und Implementierungstools führen zu Missverhältnissen und Verzögerungen.Eine enge Kopplung zwischen Extraktion, Implementierung und Signoff gewährleistet die Konsistenz, reduziert Überraschungen und beschleunigt die Zeit zum Markt.

Unterschied zwischen Finfet und MOSFET

Dieser Vergleich zeigt, warum Finfets zur Standardauswahl im fortschrittlichen Halbleiterdesign als MOSFET geworden sind.

Abbildung 7. MOSFET vs. Finfet

Aspekt	Planar Mosfet	Flossen	Warum Finfet wird bevorzugt
Struktur	Flacher, zweidimensionaler Kanal am Silizium Oberfläche	3D vertikale Flossenstruktur mit Tor auf Mehrere Seiten	Bessere Gate-Steuerung aufgrund von Multi-Gate Design
Gate Control	Gate deckt nur eine Seite des Kanals ab	Gate wickelt sich um den Kanal auf drei um Seiten	Verbesserte elektrostatische Kontrolle
Kurzkanaleffekte	Stärker ausgeprägt, als Geräte skaliert werden	Stark unterdrückt	Ermöglicht eine zuverlässige Leistung bei kleiner Knoten
Leckstrom	Höhere Leckage bei unter 30 nm Gatelängen	Erheblich niedrigere Leckage	Verbesserte Stromeffizienz
Strom treiben	Niedriger aufgrund der schwächeren Gate -Kontrolle	Höher aufgrund einer besseren Kanalkontrolle	Erhöht die Leistung und das Umschalten Geschwindigkeit
Stromverbrauch	Höher, insbesondere im Standby -Modus	Niedriger, sowohl aktiv als auch statisch	Suitable for energy-efficient designs
Skalierbarkeit	Limitiert unter 28nm Knoten	Skalierbar auf 5nm und darunter	Unterstützt fortgesetzte Moore's Law Skaling
Herstellungskomplexität	Einfacher und reif	Komplexer, aber hergestellt mit moderne Werkzeuge	Kompromiss für bessere Leistung und Effizienz
Branchenadoption	Verwendet in älteren Prozessknoten (90 nm, 65 nm, usw.)	Standard in fortschrittlichen Knoten (16 nm, 7nm, 5nm usw.)	Ermöglicht Chip-Designs der nächsten Generation

Zukunft der Finfet -Technologie

Abbildung 8.Planar, Finfet zur Evolution von Gaafet Transistor

Wenn Chip -Designs unter 5 nm schrumpfen, sind die Finklimits für Kontrolle und Effizienz.Finfets, die in 16 nm bis 7 nm Knoten verwendet werden, bieten eine bessere Gate -Kontrolle als planare FETs, haben jedoch Probleme mit der Leckage auf kleineren Maßstäben.

Gaafets sind der nächste Schritt.Sie umgeben den Kanal vollständig mit dem Tor, verbessern die Leistung, reduzieren die Leckage und ermöglichen die fortgesetzte Skalierung.Nanoblätter, flexibler als Nanodrähte, werden zum Standard für 3NM- und 2NM -Technologien.

Um diese Fortschritte zu unterstützen, benötigen Sie eine vollständige Schaltungsdesign -Suite mit genauen Transistormodellen, schematischen Werkzeugen und Gewürzsimulation.Durch die Erforschung neuer Materialien wie III-V-Verbindungen und Graphen wird auch die Chipleistung weiter vorangetrieben.

Abschluss

Finfets haben die Art und Weise verändert, wie moderne Chips gebaut werden.Als traditionelle MOSFets bei kleineren Größen scheiterten, kamen Finfets mit einem besseren Design.Ihre 3D-Form und ihre Multi-Gate-Struktur verleihen ihnen mehr Kontrolle, weniger Stromverlust und eine bessere Leistung.Von Telefonen und Laptops bis hin zu Rechenzentren und selbstfahrenden Autos sind überall Finfets.