3D 電晶體你真的懂嗎？完全看懂多閘極電晶體的奧祕

重要課題：通道的形成

按照不同的電晶體結構，就會有不同的通道形成方式，我們來看看早期最有力、速度最快的BJT電晶體和現在最常用的MOSFET電晶體有什麼不同。

BJT電晶體通道

BJT的構成很簡單，就是把2個P型半導體夾住1個N型半導體變成三明治。當然，也有用2個N型半導體夾住1個P型的。現在就看看NPN型的BJT如何運作。

一般而言我們把BJT的輸入極稱為集極，控制極稱為基極，而輸出極就稱之為射極。由於射極要提供大量電子擴散所以雜質濃度會比較高，而基極則因為希望電流快速通過所以做得很薄。

當我們由控制極輸入足夠的電子時，原本的P型半導體就因為充滿了大量電子而慢慢把我們原本人工置入的電洞中和掉了，當然就慢慢「轉性」變成N型半導體的性質。此時對於從集極加入的電壓／電流來看，就會發現當P型半導體轉性後，NP介面的能階差就慢慢消失因而形成通道，而電流就會由集極一路衝向射極而發射出來，這就是通道形成的過程。

由於需要真槍實彈把電子灌進去，所以BJT的通道形成比較費力，但是通道導通的面積大所以可以流過的電流也很大，很適合高出力的工作。但是我們灌入P型半導體的電子可不會乖乖停在那裡不動，它們會隨著由射極出發的電子流一路衝往集極去！就像馬桶把衛生紙沖掉那樣（高中物理告訴我們，電流方向就是電子流方向的反方向）。

▲NPN型BJT導通情況

所以控制訊號電流不夠強，是推不動BJT電晶體的。這現今晶片當中是一項很討人厭的特性，因為它表示就算我們沒什麼動作，為了維持電晶體某一種狀態，我們還是必需花掉大量電流！這樣不但吃電很凶，還會讓晶片熱到可以拿來煎蛋。不過BJT的好處是整顆P型半導體都會變成通道，所以通道很寬大，推動力也就很大。

JFET

JFET 是一種類似三明治的場效應電晶體，它在接面處沒有使用氧化物隔開閘極，音響迷一定不陌生， JFET 的推動力大，線性高對高頻反應又不良，是非常良好的音響用放大器材料。讀者若想看到實體物品，走一趟發燒音響材料行一定可以看到一大堆。

MOSFET電晶體通道

而MOS就非常小家子氣了，在早期或者是大功率的JFET，是由2個N型半導體夾住P型半導體，（或者2個P型夾住N型），但是電流通過的方向和通道形成方向則和BJT呈九十度。而在半導體中的MOS就如下圖所示，在FET元件當中，由閘極來的電壓對晶體中間部位造成靜電力，靜電力則吸引了正或負電荷靠近閘極，造成晶體中央部位靠近閘極的那薄薄一層半導體產生「轉性」，因此形成了通道。

所以這個通道絕對不像BJT那樣是大水管1條，而是1片薄薄的導電層而已，因此以前的水電工們對MOSFET重要課題是很頭痛的，若是你在30年前提到MOS這種推動力不足的東西可以跑到1GHz，科學家和水電工們肯定要笑你痴人說夢的。

不過FET也有一個絕大的好處，就是我們在閘極加上控制電壓時，理論上不需要流出任何電荷到晶體心，所以控制電流理論上接近於零（實際上當然不可能，會有一堆漏電流產生），所以在晶片晶體數暴增的今天，是個很好用的技術。

▲MOS半導體導通示意圖

夾止

請參考 MOS 通道形成圖，通道由於來自源極和汲極的電壓差吸引，並不會變成平行於閘極的完整平面，而是一端寬一端窄的情況，當變窄的那部分小到會阻礙電流的地步時就稱為夾止。

MOSMOS

只是 MOSFET 的簡稱，沒什麼意義，大家常常都喜歡叫小名，因為比較好叫，通常我們討論電晶體提到 MOS 是沒什麼問題的。但是如果要講到午餐吃什麼也用 MOS 的話，應該是指賣漢堡的。

薄薄的一層，問題卻很大

回到近5年來的現況，這薄薄一層的MOS導電通道推動力不大，為了仍要達到高頻、省電、低熱量、減少面積等等目的，半導體廠內的水電工們可是傷透了腦筋。還好在近來電子顯微鏡以及各類測量技術越來越進步，我們也漸漸了解到MOS通道形成有什麼限制，又有什麼副作用等等問題。尤其在現今半導體製程已經縮小到了30nm以下的境界，有許多問題是不斷發生的，也因此開發新材料或新型結構的電晶體就成了各家廠商努力的目標。

難題1 漏電流

理想的MOS電晶體除了少許拉動閘極電容的電流以及送往下一級的推動電流外，是不該有任何額外電流的，凡是超出這個範疇的電流都算漏電流。漏電流對於強調高速省電的現代產品是個大傷害。而且就微觀的情況來看，其實電晶體內部有許多效應會導致漏電流，漏電流的流向也不固定，有從閘極漏走的，有從源極漏走的，而有些漏電流只有在導通時產生，有些則無論何時都在漏。尤其當電晶體愈做愈小，這些現象就會愈明顯，用30nm以下的電晶體想要完全控制好電流方向而不漏出，簡直就像用竹籃子裝沙而不外漏一般地困難！

難題2 推動力不足

短通道效應和漏電流在某些層面是相關的，其中短通道效應主要是因為形成通道的條件太超過，造成夾止後可導電的面積變小，反而造成一種導通不良。原本我們希望加在閘極的電壓愈大，能導通的輸出電流就快速增大，沒想到反而卡住沒什麼變動，這對晶體性能是很糟糕的事。如果不處理的話對於時脈上限是會有很大的影響。（好吧，至少對於喜歡加壓超頻的宅男有影響）

當閘極長度僅有30nm以下，短通道效應相當容易發生，和以往40奈米以上的情況有很大的不同，所以也成了一大難題。

難題3 面積問題

我們平常說的30nm製程，一般是指閘極的長度等於30nm，而當推動力不足時就要增加電晶體的寬度，那如果把閘極的長度由60nm減少成30nm，但是寬度卻非得由100nm大增至300nm時，所占的面積不就更大了嗎？那真的一切都白搞了，所以面積和推動力問題都是要處理的。

難題4 省電性和性能問題

由於寄生電容的影響，電晶體就算沒有漏電流也會在運作過程中吃掉能量，好比閘極的電壓在拉升或拉降時就會吃掉電流，吃愈多愈不好推，也造成開關速度變慢。

▲短通道效應：通道提早縮水了

閘極、源極

三極管的原理就是閘極的電壓只要稍稍變大，輸出端（源極）就會有很大的增加，而閘極只要沒有輸入，輸出端也應該馬上停止輸出。

（下一頁還有：電晶體通道的形成）