【導讀】1958年，德州儀器公司用兩個晶體管制造了第一個集成電路觸發(fā)器。今天的芯片包含超過10億個晶體管。曾經(jīng)可以支撐整個公司會計系統(tǒng)的記憶，現(xiàn)在變成了一個十幾歲的年輕人在智能手機里攜帶的內(nèi)存。這種規(guī)模的增長源于晶體管數(shù)量的不斷擴大和硅制造工藝的改進。
一、 歷史：
真空管的發(fā)明開創(chuàng)了電子工業(yè)。這些裝置將控制真空中電子的流動。但是，在第二次世界大戰(zhàn)之后，人們發(fā)現(xiàn)由于大量的分立元件，這些器件的復雜性和功耗都在顯著增加。結(jié)果，這些設備的性能會持續(xù)下降。其中一個例子是波音B-29，在戰(zhàn)爭期間，它將由300-1000個真空管組成。每增加一個部件都會降低可靠性并增加故障排除時間。
1947年，貝爾實驗室的約翰·巴登、威廉·肖克利和沃特·布拉坦公布了第一臺工作正常的點接觸鍺晶體管，這是一項重大突破。1950年，肖克利發(fā)明了第一個雙極結(jié)晶體管（BJT）。與真空管相比，晶體管更可靠、更省電、體積更小。晶體管是一個三端器件，可以看作是一個電控開關。其中一個終端充當控制終端。理想情況下，如果電流被施加到控制終端上，則該設備將充當兩個終端之間的閉合開關，而這兩個終端則表現(xiàn)為一個開路開關。1958年，德克薩斯儀器公司的杰克·基爾比制造了第一個集成電路，由兩個雙極晶體管連接在一塊硅上，由此開創(chuàng)了“硅時代”。早期的集成電路使用雙極結(jié)晶體管。BJT的一個缺點是由于較大的靜態(tài)功耗。這意味著即使在電路沒有開的情況下，電能也會被消耗掉。這限制了可以集成到單個硅芯片中的晶體管的最大數(shù)量。
1963年，F(xiàn)airchild的frankwanlass和C.T.Sah公布了第一個邏輯門，其中n溝道和p溝道晶體管被用在互補對稱電路結(jié)構(gòu)中。這就是今天所說的CMOS。它的靜態(tài)功耗幾乎為零。
早期的集成電路使用NMOS技術，因為NMOS工藝相當簡單，成本較低，而且與CMOS技術相比，可以將更多的器件封裝到單個芯片中。第一個微處理器是由英特爾公司在1971年宣布的。
由于NMOS晶體管的靜態(tài)功耗要比CMOS大得多，上世紀80年代，成千上萬的晶體管被集成到一個芯片上，集成電路的功耗成為一個嚴重的問題。由于低功耗、性能可靠、速度快等特點，CMOS技術將在幾乎所有的數(shù)字應用中采用并取代NMOS和雙極技術。
在接下來的幾年里，隨著芯片封裝密度和微電子產(chǎn)品的性能成本比的進一步提高，CMOS的規(guī)模化和工藝技術的改進使電路速度不斷提高。
在這里，我們討論體硅CMOS技術，縮放的必要性和重要性，他們的各種影響和相關的解決方案。我們還討論了晶體管材料和任何先進技術節(jié)點中使用的新材料的物理縮放限制。如今，由于在32nm以下的技術節(jié)點遇到了各種限制，業(yè)界正在從使用規(guī)劃器晶體管技術開始。我們討論了新的器件結(jié)構(gòu)：SOI和FinFET取代了planner體晶體管。
二 MOSFET器件概述：
在這里，我們首先討論CMOS核心單元MOSFET或簡單MOS的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和重要術語。第一個成功的MOS晶體管將使用金屬作為柵極材料，SiO2（氧化物）用作絕緣體，半導體用作襯底。因此，這種器件被命名為MOS晶體管。場效應晶體管（FET）這個名字是指當一個電場通過柵極氧化物時，由晶體管打開和關閉柵極。
MOS結(jié)構(gòu)：
根據(jù)導電溝道的類型，可以看出兩種MOS結(jié)構(gòu)：n溝道MOS和p溝道MOS。在這里，我們將只概述NMOS晶體管，因為這兩個晶體管本質(zhì)上是互補的。
MOS晶體管是一種具有終端漏極、源極、柵極和襯底的四端器件。圖1顯示了NMOS的三維結(jié)構(gòu)。NMOS晶體管形成在p型硅襯底（也稱為主體）上。在裝置的頂部中心部分，形成一個低阻電極，該電極通過絕緣體與主體分離。通常采用n型或p型重摻雜的多晶硅作為柵極材料。在這里，二氧化硅（二氧化硅或簡單的氧化物）被用作絕緣體。通過將施主雜質(zhì)注入襯底的兩側(cè)，形成源和漏。在圖1中，這些區(qū)域用n+表示，表示施主雜質(zhì)的重摻雜。這種重摻雜導致這些區(qū)域的低電阻率。
如果兩個n+區(qū)在不同的電位下偏壓，低電位的n+區(qū)將作為源區(qū)，而另一個區(qū)將作為漏區(qū)。因此，漏極和源極可以根據(jù)施加在它們上的電位互換。源極和漏極之間的區(qū)域被稱為寬度為W，長度為L的溝道，它在決定MOS晶體管的特性方面起著重要的作用。
MOS工作原理：
對于MOS晶體管，柵極電壓決定漏極和源極之間的電流是否會流動。讓我們進一步看。當一個足夠正的Vgs電壓施加到nmo的柵極上時，正電荷被放置在柵極上，如圖3所示。這些正電荷將排斥p型襯底的多數(shù)載流子，即襯底上的空穴，留下負電荷受體離子，形成耗盡區(qū)。如果我們進一步增加Vgs，在某個電位水平上，它甚至會使表面吸引電子。因此，大量的電子被吸引到表面。這種情況被稱為反型，因為p型襯底的表面通常有大量的空穴，而溝道中有大量的電子。
漏極到襯底和源極到襯底保持反向偏壓。在圖2中，源到體保持零偏差。由于漏極電位比源極電位更為正，因此與源側(cè)相比，漏體間的反向偏壓更大，導致漏極區(qū)下的耗盡層更深。
當正電位通過漏極施加到源極時，電子從源極流過導電通道，并從漏極形成電流流出。因此，正電流Id從漏極流向源。
圖2 NMOS晶體管的反型層
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