晶体管架构的演变过程

文章来源：Tom聊芯片智造

原文作者：Tom

本文简单介绍了晶体管结构从Planar FET向MBCFET演变。

芯片制程从微米级进入2纳米时代，晶体管架构经历了从Planar FET到MBCFET的四次关键演变。这不仅仅是形状的变化，更是一次次对物理极限的挑战。从平面晶体管到MBCFET，每一次架构演进到底解决了哪些物理瓶颈呢？

最初的Planar FET是二维平面的结构，也叫平面场效应晶体管。它的结构很简单：电子沟道是“趴在”硅片表面上的，而栅极则覆盖在沟道上方，整个电流的流动，是在晶圆表面上水平进行的。

这种设计在上世纪60年代诞生，并迅速成为主流。它构成了第一代大规模集成电路的基础，在90纳米以上的工艺节点上，表现非常出色，制造也非常成熟。但问题出现在制程继续微缩之后。尤其是到了28纳米以下，短沟道效应开始加剧，栅极对沟道的控制力越来越弱，晶体管就像“关不干净的水龙头”，漏电流不断上升。结果就是：功耗变高、发热增加、性能瓶颈越来越严重。

于是，在2011年，Intel率先推出了下一代晶体管结构——FinFET，也叫鳍式场效应晶体管。其结构看起来像鱼的鳍，因此得名FinFET。

你可以把它想象成：把原本“平躺在地上”的电子通道，竖起来变成一根鳍片，栅极不再只是覆盖在上方，而是从两侧甚至三面包裹住沟道。

这种三维结构，使用鳍状的3D结构来增加接触面积，极大地增强了栅极对电子的控制能力。结果就是：漏电少了，功耗降了，晶体管还能继续缩小，摩尔定律得以延续。

但FinFET也不是没有局限。随着制程逼近5纳米，它也遇到瓶颈。最关键的一点是——鳍片宽度是固定的，无法灵活调整。而当我们试图把鳍片做得更细、更小以适配更先进的制程时，制造难度却急剧上升，良率、可靠性、一致性都开始受到挑战。换句话说，FinFET的“鳍”已经变得太细、太脆，难以承受未来纳米级微缩带来的复杂性。

于是，GAAFET就在这种背景下应运而生。和FinFET最大的区别是，GAAFET把沟道变成了极细的纳米线，然后让栅极从四面——上、下、左、右把它完整包裹起来。这样一来，栅极对电流的控制能力更强，几乎做到了360度无死角的电场掌控。这使得晶体管在更小尺寸下也能稳稳“关掉”，极大降低了漏电流，非常适合5纳米以下的制程节点。

不过，GAAFET的“纳米线”虽然控制好，但也太细了，电流通过能力弱，不利于高性能芯片的电流驱动，限制了它在一些高频或高负载场景下的表现。

于是，新一代结构被提出——MBCFET，也叫多桥通道晶体管。

它的核心想法是：把纳米线“拉扁”变成一层层“纳米片”，然后横向叠起来，像搭积木一样堆出多个通道。每一层纳米片都被栅极环绕，不仅保留了GAA的强控能力，还进一步提升了导电能力和驱动电流。

更重要的是，MBCFET的通道宽度是可调的，可以根据设计需求，灵活权衡性能与功耗，是FinFET无法做到的。