一、台积电5nm芯片每平方毫米晶体管数量达1.713亿
作为全球比较大的独立代工企业,台积电的客户覆盖了苹果、高通和华为等众多重要芯片及移动终端厂商。但无论为哪家客户提供芯片代工服务,工艺中都有一个不变的原则——芯片晶体管越多,其功率和能效就越高。
简单地说,芯片代工厂所使用的工艺节点与特定面积内(如平方毫米)的晶体管数量有关。
例如,当前使用7nm工艺生产的芯片,包括苹果A13、高通骁龙865和华为麒麟990,它们的晶体管密度约为每平方毫米1亿个晶体管。其中,苹果公司可在每颗A13芯片中填充85亿个晶体管。
而台积电的5nm芯片晶体管密度为每平方毫米1.713亿个晶体管,这将使苹果的5nm芯片A14 Bionic能够拥有150亿个晶体管,性能提升10%-15%,能耗降低25%-30%。
实际上,晶体管对芯片性能的影响与摩尔定律有关。这是英特尔创始人之一戈登•摩尔在上世纪60年代提出的理论,他认为集成电路上可容纳的晶体管数量,每隔18至24个月就会增加一倍,性能也将提升一倍。
近年来,随着制程工艺技术逐渐接近物理天花板,也出现了“摩尔定律已死”的观点。但目前看来,这一定律仍在极其缓慢地发展中。
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单结晶体管工作原理及其应用 *
什么是单结晶体管
单结晶体管又叫做双基极二极管,和二极管、三极管一样都属于晶体管的一种。它是由一个PN结构成发射极并且有两个基极的三端晶体管。
单结晶体管内部结构
单结晶体管内部由一个高电阻率的N型硅片,在其两端通过欧姆接触引出两个基极,分别为***基极B1和第二基极B2,在靠近第二基极B2的一侧有一个PN结,在这个PN结上引出发射极E。
单结晶体管内部结构示意图下
单结晶体管电路符号及其等效电路
无锡晶体管制造商尤其是当晶体管的尺寸缩小到25nm以下,传统的平面场效应管的尺寸已经无法缩小。
MESFET
金属半导体场效应晶体管(MESFET)之所以被称为这个名称是因为栅极接触是由金属 - 半导体结形成的。如果半导体材料仅是低掺杂的,则栅极金属和半导体之间产生的肖特基接触,从而使半导体工程师能够制成非常低泄漏的栅极接触。
HEMT器件
高电子迁移率晶体管(HEMT)与任何其他FET一样工作,除了沟道由两种不同类型的半导体材料(称为异质结)的结构成,以使通道中的自由电子具有更高的迁移率。对于GaAs HEMT,其他半导体材料通常是铝镓砷(AlGaAs)。由n型掺杂剂原子提供的自由电子非常靠近异质结,并形成所谓的二维电子气。这种二维(2D)电子气体被限制远离晶格原子,因此它们不会与它们碰撞,这使电子具有更高的迁移率。电子经历较少碰撞的另一个后果是HEMT的噪声系数远低于普通FET的噪声系数。为卫星***开发的HEMT LNA MMIC示例如图6所示。
储器件的晶体管累积量的增长远远超过非存储器件
图3中另一个有趣的地方是曲线末端附近的一组数据,它们由2017 年和2018 年的数据生成,该组数据点向上偏离学习曲线。如果学习曲线是真正的自然法则,怎么会发生这种情况呢?很简单,从2016 年到2018 年存储器件严重短缺,特别是DRAM。由于市场需求超过供应,每个晶体管的价格非但没有下降,反而上升了。但是这不会导致学习曲线长期偏离吗,当市场供需不平衡发生时,每个晶体管的成本就会高于或低于学习曲线的长期趋势线,当供需恢复平衡时,每个晶体管的成本将回归到学习曲线上。在学习曲线上方产生的面积通常会被学习曲线下方几乎相等的面积所补偿,反之亦然。这是学习曲线的另一个有用的好处,它可以预测未来价格的总趋势,即使短期市场力量会引起扰动。
晶体管的功能源于电子的受控运动。
FinFet晶体管
平面晶体管主导了整个半导体工业很长一段时间。但随着尺寸愈做愈小,传统的平面晶体管出现了短通道效应,特别是漏电流,这类使得元件耗电的因素。尤其是当晶体管的尺寸缩小到25nm以下,传统的平面场效应管的尺寸已经无法缩小。在这种情况下,FinFET出现了。FinFET也被称为鳍式场效应晶体管,这是一种立体的场效应管。FinFET的主要是将场效应管立体化。
第一种FinFET晶体管类型称为“耗尽型贫沟道晶体管”或“ DELTA”晶体管,该晶体管由日立中央研究实验室的Digh Hisamoto,Toru Kaga,Yoshifumi Kawamoto和Eiji Takeda于1989年在日本***制造。但目前所用的FinFet晶体管则是由加州大学伯克利分校胡正明教授基于DELTA技术而发明,属于多闸极电晶体。
MOS晶体管全名叫做MOSFET(Metal oxide semiconductor field effect transistor)。芜湖单结晶体管
金属半导体场效应晶体管(MESFET)之所以被称为这个名称是因为栅极接触是由金属 - 半导体结形成的。计算机晶体管直销
单结晶体管电路特性
在上面的等效电路中,单结晶体管两个基极之间的电阻称作“基极电阻”,基极电阻的阻值等于***基极与发射极之间的电阻RB1和第二基极与发射极之间的电阻RB2值之和。其中,RB1的阻值随着发射极E的电流变化而变化,而RB2的阻值不受发射极电流的影响。
在两个基极之间施加一定的电压VBB,则A点电压VA=[RB1/(RB1+RB2)]VBB=(RB1/RBB)VBB=ηVBB;其中η成为分压比,其数值根据不同型号的晶体管一般在0.5到0.9之间。
当发射极电压VE>ηVBB时,发射结处于反偏状态,此时晶体管截止;
当发射极电压VE<ηVBB+二极管管压降VD时,PN结处于正向导通状态,RB1的阻值迅速减小,VE会随之下降,此时晶体管出现负阻特性,晶体管由截止进入负阻特性的临界点称为“峰点”;
随着发射极E电流的上升,发射极电压VE会不断下降,当下降到一个点之后便不再下降,这个点称为“谷点”;
单结晶体管的型号命名方式
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