電晶體上的魚鰭

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電晶體上的魚鰭

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IC之音廣播電台｜

IC製造是一場尺寸微縮與效能提升的研究競賽，目前的量產製程技術，可以在1平方公分的矽晶片上，製作大約1億顆電晶體。國家實驗研究院奈米元件實驗室研發出「多重鰭高鰭式場效電晶體」製程技術，可以在同樣面積上增加大約2千萬顆電晶體，也就是讓各類電子產品的儲存容量增加20%。這要如何辦到？請聽今天的主題：從平面到立體—電晶體上的魚鰭。

「場效電晶體」簡稱F.E.T.／FET，它是一種用電場來控制電流的電晶體，換句話說，可以透過操作的電壓來控制電流是否通過。用水庫來比喻的話，您可以把場效電晶體的電流想像成水流，水庫會有閘門，來控制水流是否通過，同樣地，場效電晶體也有個「閘極」，來控制電流是否通過。

傳統的場效電晶體，它的構造是平面的，所以最佔面積。您可以把「閘極」想像成一塊平面的海綿，我們用操作電壓去控制它，就像我們用手掌去壓海綿一樣，只能從一個方向去壓。現在半導體愈做愈小，就像海綿也愈切愈小，操作電壓就愈來愈難做精確的控制。

為了克服這些問題，任職於柏克萊加州大學的華裔科學家胡正明院士，發明了「鰭式」場效電晶體（Fin-FET），這個「鰭」是魚鰭的鰭，意思是把場效電晶體的閘極做成立體的，好像一片魚鰭一樣凸起來。我們還是可以用海綿的比喻，比方一片海綿本來是十公分長、十公分寬，攤平在桌面上。現在我們讓它凸起來，同樣表面積的海綿，在桌面上只會佔據十公分長、三公分寬的區域，所以可以節省面積。另外凸起來的閘極，也比較好控制，我們可以從左、右、上三個方向來控制它，就像凸起的海綿，我們可以用壓的，也可以用兩根手指去捏，因此更容易控制。

而這項發明，也讓半導體的發展，不只在平面的尺寸上愈縮愈小，比如您常聽到的40奈米、28奈米、20奈米等等，也出現了立體3D的佈局，就像國研院副院長，也是國家奈米元件實驗室代理主任綦振瀛所分享的：

以前的話我們都是攤在一個平面上面，所以我們就只看平面的尺寸，可是現在變成3D以後的話呢，平面的尺寸不代表完整的一個形式，因為我們現在已經往上堆了。所以變成在另外一個「軸向」上面的佈局，也是一個重要的因素。

國研院奈米元件實驗室，領先全球開發出的多重鰭高「鰭式」場效電晶體，則更進一步。原來過去的「鰭式」場效電晶體只有「單一鰭高」，意思是所有凸起的閘極都一樣高，讓設計彈性受到限制。打個比方，傳統的平面場效電晶體就像是平房，單一鰭高的「鰭式」場效電晶體像傳統公寓，每間都一樣大，多重鰭高就像是現代化的大樓，有不同面積的格局，達到空間利用的最佳化。

就是因為這個原因，多重鰭高的「鰭式」場效電晶體，比起單一鰭高，可以減小晶片面積達到20%，降低大約兩成的成本，並有提高電路設計的彈性等優勢。國研院奈米元件實驗室並自12月起開放「非平面元件製作服務平台」，期待讓學研機構的前瞻研究與產業界接軌，有助於提升我國半導體產業的國際競爭力。

【本單元由行政院國家科學委員會補助製播】
2013-12-15 16:55:00播出

電晶體(18)

電晶體上的魚鰭

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