FinFET’in Yapısı, Çeşitleri ve Uygulama Alanları
Çip oluşturma mimarisini oluşturan FinFET’ler aslında birer transistör mü? Transistörlerden ayrılan özellikleri neler? Peki düşük güç seviyelerini yakalamasını sağlayan mimarisi nasıl oluşuyor? Sorularımızın cevabı için yazımızı inceleyelim.
05.01.2019 tarihli yazı 11655 kez okunmuştur.
FinFET, yani fin alan etkili transistörler, yapı itibariyle iki boyutlu transistör yapısı ile benzerlik taşır. Geleneksel transistör yapısındaki iletken kanalları iki yan kısma alınıyor ve fin olarak adlandırılan bir yapı ortaya çıkıyor. Bu yapı bir akım kontrolü sağlayan geçit ile çevriliyor. FinFET yapıların göze çarpan en önemli özellikleri; hızlı olması, çok küçük boyutlarda üretilebilmesi ve düşük güç seviyelerini yakalaması olarak gösterilebilir.
FinFET Nedir?
FinFET’ler genel olarak çok kapılı MOSFET olarak adlandırılırlar. Silikon yüzeyinde kanatlara benzer yapılar oluşturduğu ve bu kanatlar yüzgeçlere de benzediği için FinFET ismi verilmiştir. CMOS teknolojiler arasında daha hızlı anahtarlama sürelerine imkan tanıdığı için, güç seviyelerinin düşmesini sağlar ve hızlarını arttırır.
FinFET terimi, 2001 yılında California Berkley Üniversitesi’nde Prof. Chenming Hu, Tsu-Jae King-Liu ve Jeffrey Bokor tarafından geliştirildi. FinFET’lerde kalınlık, kanal uzunluğuna bağlı olarak belirlenir. Kanal uzunluğu ise source ve drain uçları arasındaki mesafedir. 2 farklı FinFET tipi vardır. Bunların ikiye ayrılmasının sebebi; üretildiği tabanların birbirinden farklı olmasıdır. FinFET’ler üretildiği taban adına göre isimlerini alır.
►Bulk FinFET
►SOI FinFET
Aşağıdaki resimde düzlem transistor(a) ve FinFET(b) yapısı arasındaki fark gösterilmiştir.
Neden FinFET Yapısını İhtiyaç Duyuluyor?
MOSFET’lerin üretiminden bu yana daha hızlı çalışması için kanal uzunluğunun azaltılması için çalışılıyor. Bir çip üzerindeki transistör sayısını ve çalışma hızını artırmak amacıyla L kanal uzunluğu düşürüldüğünde, kısa kanal etkileri ile karşılaşılmaktadır. Kısa kanal etkilerinin avantajlarından dolayı source ve drain arasındaki bölgenin kalınlığının küçültülmesi istenir. Bu kalınlığının azaltılması ile kısa kanal etkileri ortaya çıkar.
►MOSFET’lerdeki eşik gerilimi (VT), akım gerilim karakteristiğinin değişimine sebep olur. Kısa kanal etkisinden dolayı bu aralıkta bulunan elektronların sürüklenme hızı doyuma gider.
►MOSFET’lerdeki eşik gerilimi (VT), akım gerilim karakteristiğinin değişimine sebep olur. Kısa kanal etkisinden dolayı bu aralıkta bulunan elektronların sürüklenme hızı doyuma gider.
Kısa kanala sahip MOSFET’ler akım gerilim karakteristiğini değiştirdiği için daha kısa sürede doyuma giderler.
►Kısa kanal etkilerinden bir diğeri ise, VT eşik geriliminden dolayı oluşan değişimdir.
►Kısa kanal etkilerinden bir diğeri ise, VT eşik geriliminden dolayı oluşan değişimdir.
Yukarıda anlattıklarımızın haricinde de farklı kısa kanal etkileri vardır.
►Elektronların Yüzeysel Saçılması
Kanal uzunluğu azaltılmaya başlandıkça boyunda bir artış görülür ve elektrik alan bileşenleri artmaya başlar. Yüzeye doğru saçılma, elektron hareketinin azalmasına sebep olur. Elektronlar yüzeye paralel olarak hareket etmekte zorlanırlar. Bundan dolayı arayüzeye doğru hızlanan elektronların birbiriyle çarpışması sonucunda yüzeysel saçılma oluşur.
►Hız Doygunluğu
Güçlü bir elektrik alan uygulanması sonucunda elektronların taşıyıcı hızı, doyuma gider. Hız doygunluğu, doygunluk modunda iletkenliği azaltır. Hızın doyuma gitmesi durumu, transistörün hız doygunluğu olarak söylenir. Doygunluk durumunda elektronlardan yüksek enerjiye sahip olanların saçılma oranları artar. Saçılma oranı artan bir elektronun kanal içerisindeki geçiş süresi de artar.
►Sıcak Elektron Etkisi
Kinetik enerjiden dolayı bir ısı etkisi oluştuğunu biliyoruz. FinFET içindeki elektronlar, yüksek elektrik alan etkisi ile hareket ederken yüksek kinetik enerjiye sahip olurlar. Yüksek kinetik enerji kazanan elektronlarda, sıcak elektron etkisi görülür. Sıcak elektron etkisine sahip taşıyıcılar, kanal içerisinde bazı bölgelerde tutulurken bazı bölgelere enjekte edilir. Bu durum istenmeyen davranışlarına sebep olabilir ve bozulmalar oluşabilir.
Kanal boyutu azaltıldıkça elektrik alan etkisi artar, bu da kinetik enerjiyi arttırdığı için sıcak elektron etkisi meydana gelir. Bu etki kanalın azaltılmasında engellere neden olur.
►İyonlaşma
Genellikle iyonizasyon etkisiyle elektron delikleri oluşturan, yüksek elektron hızları nedeniyle oluşur. Bu iyonlaşma elektron hole’lerinin (elektron deliği) iyonlaşması ile gerçekleşir.
Moore Yasası Nedir?
Gordon Moore, Intel’in kurucu üyesidir. Moore kanunu, her 18 ayda bir entegre devre üzerine yerleştirilen elektronik eleman sayısının iki katına çıkarılmasını öne sürer. Eleman sayısı iki katına çıkarken üretim maliyetinin aynı kalmasını hatta düşmesini söyler. Buna göre 18 ay sonra alacağınız bir bilgisayarın işlemci hızı, şu an alacağınız bilgisayardan iki kat daha hızlı olur. Moore yasası, deney sonucu ortaya çıkarılmış bir yasa değil, ampirik bir gözlemdir.
FinFET’ler Nasıl Çalışır?
MOSFET’lere benzer olarak FinFET’lerde iki ayrı modda çalışabilirler. MOSFET’lerin temel amacı source ve drain uçları arasındaki gerilimi ve akımı kontrol etmektir. Gate bölgesinde bir kondansatör oluşur. MOSFET’in kapısındaki silikonun gövde yapısına göre n-kanal ya da p-kanal oluşur. Drain’den source’a verilen gerilimin yönü ile n ve p kanallar yer değiştirebilir.
Gate ucunda oluşan kondansatöre düşük bir gerilim uygulandığında, gate ucunu source’a göre pozitif tutarak orada bir boşalma bölgesi oluşturulur. Bu bölge silikon ve SiO2 arasındaki yüzeyde oluşur.
Eğer pozitif bir gerilim uygulanırsa, bu gerilim kanal içindeki elektronların source ve drain ucundan n+ ucuna doğru çeker. Source ve drain uçları arasından gerilim uygulanırsa, bu uçlar arasından akım akmaya başlar.
Negatif bir gerilim uygularsak oksit tabakasının altında bir delik oluşur. Yani source ile drain uçları arasındaki akımın iletimi; source’un, gate ucundaki gerilim ile kontrol edilmesi sonucunda oluşur. Eğer gate ucundaki gerilim belirli bir değeri aşarsa ancak o durumda iletim başlar.
FinFET’ler Yapısı
FinFET’ler iki farklı yapıdan oluşur. Bu yapılar arasındaki tek fark silikon substrat üzerindeki fin yapılardır.
Silikon bazlı FinFET’lerde iletken yüzey silikon ile sarılıdır. Bu sarılı bölge gövdeyi oluşturur. Finler yani kanatlar, source ve drain arasındaki 3D kanaldır. Gate, kanalın etrafında sarılıdır. Gate’in kanal etrafına sarılması, kaçak ve sızıntı akımları azaltmayı amaçlar.
►Yüzey (Substrate); FinFET’in tabanının oluşturur.
►Oksit Biriktirme; Yüzgeçleri birbirinden ayırmayı sağlar.
►Planarizasyon; Sert bir maskedir ve durdurma katmanı olarak işlev görür.
►Girintilerin Azaltılması; Yüzgeçlerde yanal izolasyonu sağlar.
►Geçit Oksidi; Kanatların üzerinde bir geçit oksidi bulunur. Kanalı geçit elektrodundan izole etmek için yerleştirilmiştir, izolasyonu sağlar.
►Kapı Biriktirme; Kanatların üzerinden n+ katkılı bir poli silikon birikir. Kanatların her bir yanına ve üzerine birer tane kapı sarılır.
FinFET Uygulamaları
FinFET boyutlarının gelecekte, şu an kullanılan teknolojiye göre daha çok küçültülmesi amaçlanıyor. Şu an Samsung, Apple, Intel 14nm teknolojisini 2016 yılı itibariyle kullanmaya başladılar. Bu süreç mobil cihazların hızını arttırmasının yanı sıra performansını iyileştirir. Son çalışmalarla birlikte transistör boyutları 7nm’lere kadar küçültülmüş olup bunlar üzerine çalışmalar halen devam etmektedir.
Yazar: Gökçe Gürbüz
Kaynak:
►engineersgarage.com
►radio-electronics.com
►nytimes.com
YORUMLAR
Aktif etkinlik bulunmamaktadır.
- Dünyanın En Görkemli 10 Güneş Tarlası
- Dünyanın En Büyük 10 Makinesi
- 2020’nin En İyi 10 Kişisel Robotu
- Programlamaya Erken Yaşta Başlayan 7 Ünlü Bilgisayar Programcısı
- Üretimin Geleceğinde Etkili Olacak 10 Beceri
- Olağan Üstü Tasarıma Sahip 5 Köprü
- Dünyanın En İyi Bilim ve Teknoloji Müzeleri
- En İyi 5 Tıbbi Robot
- Dünyanın En Zengin 10 Mühendisi
- Üretim için 6 Fabrikasyon İşlemi
- Batarya Testinin Temelleri
- Enerji Yönetiminde Ölçümün Rolü: Verimliliğe Giden Yol
- HVAC Sistemlerinde Kullanılan EC Fan, Sürücü ve EC+ Fan Teknolojisi
- Su İşleme, Dağıtım ve Atık Su Yönetim Tesislerinde Sürücü Kullanımı
- Röle ve Trafo Merkezi Testlerinin Temelleri | Webinar
- Chint Elektrik Temel DIN Ray Ürünleri Tanıtımı
- Sigma Termik Manyetik Şalterler ile Elektrik Devrelerinde Koruma
- Elektrik Panoları ve Üretim Teknikleri
- Teknik Servis | Megger Türkiye
- Güneş Enerji Santrallerinde Yıldırımdan Korunma ve Topraklama
ANKET