元器件入门分享之3D晶体管基础知识大放送

一、3D三维晶体管的概念

3D三维晶体管，从技术上讲，应该是三个门晶体管。传统的二维门由较薄的三维硅鳍(fin)所取代，硅鳍由硅基垂直伸出。门包围着硅鳍。硅鳍的三个面都由门包围控制，上面的顶部包围一个门，侧面各包围一个门，共包围三个门。在传统的二维晶体管中只有顶部一个门包围控制。英特尔对此作了十分简单的解释：“由于控制门的数量增加，晶体管处于‘开’状态时，通过的电流会尽可能多;处于‘关’状态时，电流会尽快转为零，由此导致能耗降至最低。而且晶体管在开与关两种状态之间迅速切换能够显着的提高电路性能。

实际上，3D晶体管就是tri-gate 和32nm的区别。3-D Tri-Gate三维晶体管相比于32nm平面晶体管可带来最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗减少一半，这意味着它们更加适合用于小型掌上设备。3-D Tri-Gate晶体管能够支持技术发展速度，它能让摩尔定律延续数年。该技术能促进处理器性能大幅提升，并且可以更节能，新技术将用在未来22纳米设备中，包括小的手机到大的云计算服务器都可以使用。

二、3D三维晶体管的特点

3-D Tri-Gate使用一个薄得不可思议的三维硅鳍片取代了传统二维晶体管上的平面栅极，形象地说就是从硅基底上站了起来。

硅鳍片的三个面都安排了一个栅极，其中两侧各一个、顶面一个，用于辅助电流控制，而2-D二维晶体管只在顶部有一个。由于这些硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更加紧密地靠在一起，从而大大提高晶体管密度。

三、3D三维晶体管的优势

3D晶体管 Tri-Gate使用一个薄得不可思议的三维硅鳍片取代了传统二维晶体管上的平面栅极，形象地说就是从硅基底上站了起来。硅鳍片的三个面都安排了一个栅极，其中两侧各一个、顶面一个，用于辅助电流控制，而2-D二维晶体管只在顶部有一个。由于这些硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更加紧密地靠在一起，从而大大提高晶体管密度。

这种设计可以在晶体管开启状态(高性能负载)时通过尽可能多的电流，同时在晶体管关闭状态(节能)将电流降至几乎为零，而且能在两种状态之间极速切换。Intel还计划今后继续提高硅鳍片的高度，从而获得更高的性能和效率。Intel声称，22nm 3-D Tri-Gate三维晶体管相比于32nm平面晶体管可带来最多37%的性能提升，而且同等性能下的功耗减少一半，这意味着它们更加适合用于小型掌上设备。

与之前的32纳米平面晶体管相比，22纳米3-D三栅极晶体管在低电压下将性能提高了37%,而功耗下降一半。无疑，这一巨大的改进意味着它们将是英特尔进入小型手持设备的杀手武器。”采用这种技术的终端，仅要求晶体管在运行时只用较少的电力进行开关操作。全新的晶体管只需消耗不到一半的电量，就能达到与32纳米芯片中2-D平面晶体管一样的性能。“柯比表示，”低电压和低电量的好处，远远超过我们通常从一代制程升级到下一代制程时所得到的好处。它将让产品设计师能够灵活地将现有设备创新得更智能，并且有可能开发出全新的产品。“四、3D三维晶体管技术

英特尔公司组件研究经理Gerald Marcyk在日本名古屋召开的国际固态设备和材料会议上发表技术论文，介绍了有关三闸晶体管的详细的技术细节。

Marcyk介绍说，三闸晶体管顾名思义就是有三个闸，而不是一个，它与目前的技术不同。因此，三闸晶体管的表现更像个三维物体。晶体管的闸通常是控制晶体管中的电子在源极和漏极这两个结构中流动的。允许电子通过或者阻止电子通过，就产生了对计算有重要意义的1和0.

增加晶体管闸的数量就增加了能够控制的电子流的总数并提高性能。更重要的是因为三闸晶体管的电子流可以分成三个渠道，因此能够减少电子的泄漏。目前，晶体管的闸只有几个原子厚，电子在传输中可能发生泄漏，随着芯片构件的缩小，这个问题会更加严重。 英特尔公司的竞争对手IBM公司正在研制双闸晶体管，并且打算用这种晶体管制作一个完整的芯片。英特尔公司到目前为止只生产出实验性的晶体管。AMD公司也在从事双闸晶体管的研究。

总之，英特尔推出的3D三栅极晶体管技术可以说是晶体管技术上的一次革命，它打破了人们的固有思维，让晶体管设计从平面上升到了立体，而英特尔新推出的第三代酷睿处理器就是基于22nm 3D三栅极晶体管技术。与之前的32纳米平面晶体管相比，22纳米3D三栅极晶体管在低电压下将性能提高了37%,而且只需消耗不到一半的电量，就能达到与32纳米芯片中2D平面晶体管一样的性能。

五、3D三维晶体管的发展

据悉，英特尔表示，成功开发世界首款名叫TRI-GATE的3D三维晶体管，在微处理器上实现了历史性的技术突破英特尔解释，