柔性晶體管的案例
基于富勒烯浮柵層的雙極型柔性突觸晶體管
受到這種有潛力的生物學(xué)功能的啟發(fā)，具有橫向和縱向?qū)щ娡ǖ赖母糯鎯?chǔ)晶體管被提出來(lái)模擬生物突觸的信號(hào)傳遞以及學(xué)習(xí)過(guò)程。然而絕大多數(shù)晶體管都是單極型電荷捕獲，同時(shí)具有較大的操作電壓以及很高的能耗。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單溶液法制備的低操作電壓的雙極型突觸晶體管不僅能大大減少集成能耗，還能提高突觸權(quán)重可調(diào)節(jié)范圍。
【成果簡(jiǎn)介】
深圳大學(xué)周曄研究員和韓素婷副教授等在柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管中第一次采用簡(jiǎn)單的溶液法制備的C60和PMMA的混合體系作為浮柵層和隧穿層，系統(tǒng)性研究柔性晶體管在不同形貌下的電學(xué)性質(zhì)，包括窗口，開(kāi)關(guān)比，保持時(shí)間以及耐力屬性等等，同時(shí)成功模擬了生物突觸的多種學(xué)習(xí)與記憶功能，對(duì)今后有機(jī)突觸晶體管的開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。
相應(yīng)工作以“Gate-Tunable Synaptic Plasticity through Controlled Polarity of Charge Trapping in Fullerene Composites”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials (2018, 1805599)上，共同第一作者為深圳大學(xué)高等研究院研究生任意及電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科生楊嘉欽。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1
柔性晶體管的表征以及電學(xué)性能
a.三維柔性晶體管器件示意圖。
b. 器件的橫截面SEM圖像側(cè)視圖。
c. 均勻并五苯薄膜的AFM形貌圖。
d. PET基底上不同比例C60和PMMA混合層的吸收光譜。
e. 只包含PMMA的晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線；插圖是制備的柔性器件圖。
f.器件的輸出特性曲線。
g-i.
展開(kāi) 《自然·通訊》高性能柔性有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電路
柔性有機(jī)電子學(xué)因其具有獨(dú)特的機(jī)械柔韌性、輕質(zhì)、可溶液加工等特性，被認(rèn)為非常適應(yīng)用于電子皮膚、可折疊顯示器、能量存儲(chǔ)、醫(yī)療診斷和生物電子學(xué)等領(lǐng)域。在實(shí)現(xiàn)柔性有機(jī)電子器件制備的過(guò)程中，具有良好的溶解性和相容可加工性的聚合物絕緣層是必不可少的一部分。而如何平衡聚合物絕緣層的介電性能和與有機(jī)半導(dǎo)體分子生長(zhǎng)的兼容性是制備高性能柔性器件的基礎(chǔ)，也面臨著巨大挑戰(zhàn)。
近日，德國(guó)明斯特大學(xué)Harald Fuchs教授、上海交通大學(xué)李濤研究員、天津大學(xué)胡文平教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)單的退火溫度的改變，將聚酰胺酸部分亞胺化成一種共聚物（聚酰亞胺的一種）。這種共聚物中亞胺化的部分通過(guò)苯環(huán)和脂環(huán)之間的相互作用可以很好的保證其介電性能；未亞胺化的部分含有極性強(qiáng)的官能團(tuán)（-COOH/-CONH），通過(guò)與半導(dǎo)體之間的相互作用，從而使得半導(dǎo)體更加有序、結(jié)晶性更好地生長(zhǎng)。
圖1. 共聚物絕緣材料的合成路線
基于共聚物制備的柔性器件性能在以聚酰亞胺作為絕緣層的器件中不管從操作電壓（3 V）還是器件遷移率（5.6 cm2 V-1 s-1）都達(dá)到了最優(yōu)值。柔性晶體管表現(xiàn)出良好的柔韌性。在曲率半徑5 mm的物體表面沿著水平和垂直方向彎曲次數(shù)達(dá)到1000次的情況下，器件的平均遷移率僅僅下降了5%。
圖2.（a）以聚酰亞胺作為絕緣層的器件遷移率對(duì)比。（b）以聚酰亞胺作為絕緣層的器件操作電壓對(duì)比。
圖3. （a）晶體管的轉(zhuǎn)移曲線。（b）柔性晶體管陣列圖。（c）晶體管的彎曲測(cè)試。
在此基礎(chǔ)上基于共聚物絕緣層制備的柔性電路(反相器和振蕩器)也展現(xiàn)出了很好的邏輯功能和柔韌性能。反相器的增益可以達(dá)到15，振蕩器信號(hào)傳播延遲可以做到100 μs。柔性電路沿著圖示方向彎曲（彎曲半徑5 mm）達(dá)到500次的時(shí)候，反相器和振蕩器的性能幾乎沒(méi)有發(fā)生衰減。
圖4.（a）反相器性能曲線圖。
展開(kāi) 新型柔性薄膜晶體管：有望帶來(lái)高性能柔性可穿戴設(shè)備！
導(dǎo)讀
近日，中國(guó)山東大學(xué)與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員在柔性電子領(lǐng)域取得一項(xiàng)重要進(jìn)展，他們開(kāi)發(fā)出超高速的新型柔性納米晶體管。它由氧化物半導(dǎo)體制成，能以1GHz 的基準(zhǔn)速度運(yùn)行。
背景
傳統(tǒng)電子產(chǎn)品，往往會(huì)給我們一種“僵硬”的印象，它們無(wú)法經(jīng)受彎曲、扭曲和拉伸。然而，新興的柔性電子產(chǎn)品卻彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的這些不足。特別是對(duì)于可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，柔性電子技術(shù)的發(fā)展大大改善了用戶的佩戴體驗(yàn)，更加適應(yīng)人體的自由運(yùn)動(dòng)。
之前，筆者曾介紹過(guò)許多柔性電子產(chǎn)品，例如：柔性電池、柔性液晶屏、柔性可穿戴傳感器、柔性的有機(jī)閃存、柔性超級(jí)電容、柔性微處理器、柔性觸控傳感器、柔性天線、柔性電子紙張等等。為了讓大家有一個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí)，下面通過(guò)圖片進(jìn)行展示：
（圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣地亞哥分校）
（圖片來(lái)源：日本東北大學(xué)）
（圖片來(lái)源：佛羅里達(dá)州立大學(xué)）
（圖片來(lái)源：KAIST）
（圖片來(lái)源：曼徹斯特大學(xué)）
（圖片來(lái)源：英屬哥倫比亞大學(xué)）
（圖片來(lái)源：Graphene Flagship）
（圖片來(lái)源： Mats Tiborn）
創(chuàng)新
近日，在柔性電子領(lǐng)域又出現(xiàn)一項(xiàng)重要研究進(jìn)展。中國(guó)山東大學(xué)（ Shandong University）與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)（University of Manchester ）的研究人員合作開(kāi)發(fā)出一種新型超高速的柔性納米晶體管，也稱為“薄膜晶體管”（TFT）。它由氧化物半導(dǎo)體制成，能以1GHz 的基準(zhǔn)速度運(yùn)行。
技術(shù)
TFT 是一種通常應(yīng)用于液晶顯示屏（LCD）中的晶體管。具有LCD顯示屏的大多數(shù)現(xiàn)代電子設(shè)備，例如智能手機(jī)、平板電腦和高清電視，都具有TFT。
TFT是如何工作的呢？
展開(kāi) 韓國(guó)高校研究團(tuán)隊(duì)提出一種提高柔性顯示面板性能的薄膜晶體管技術(shù)方案
在目前最長(zhǎng)研究的幾種支持溶液工藝的半導(dǎo)體中，金屬氧化物被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力，同時(shí)也是目前研究最成功的TFT薄膜晶體管材料平臺(tái)，這種材料通常具有非常高的載流子遷移率和非常好的操作穩(wěn)定性。
在這樣的背景下，浦項(xiàng)科技大學(xué)化學(xué)工程系的Dae Sung Chung教授和他的研究團(tuán)隊(duì)為有機(jī)-無(wú)機(jī)混合介電層提出了一種高效的交聯(lián)策略。據(jù)了解，該交聯(lián)介電層可以將無(wú)機(jī)顆粒通過(guò)共價(jià)方式連接到聚合物上。另一方面，這些研究人員通過(guò)疊氮化物官能化乙酰丙酮的方式，開(kāi)發(fā)出具有致密無(wú)缺陷薄膜形態(tài)的有機(jī)-無(wú)機(jī)混合介電層。
這種方法制作的有機(jī)-無(wú)機(jī)混合介電層，可以極大降低薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)時(shí)的漏電流，因此它能夠支持顯示器以低功率驅(qū)動(dòng)。此外，這種具有優(yōu)良物理特性的介電層，它的制造并不復(fù)雜，可以使用一些常見(jiàn)解決方案。綜合來(lái)看，這意味著這種新方案可以極大降低薄膜晶體管制造成本。另一方面，這種材料還因?yàn)橹С值蜏責(zé)崽幚砉に嚕軌蜃屩圃焐淘?em>柔性基板上制造薄膜晶體管。
這項(xiàng)研究的首席研究員鐘教授解釋道：“我們開(kāi)發(fā)的這種具有高效穩(wěn)定性的薄膜晶體管能夠?qū)橄乱淮?em>柔性電子器件（如可穿戴設(shè)備等）提供支持。未來(lái)，這種新型氧化物半導(dǎo)體材料有望為存儲(chǔ)器、顯示器和其他行業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。”
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展開(kāi) 
王中林、翟俊宜Nano Energy: 用于面內(nèi)應(yīng)變映射的柔性Li摻雜ZnO壓電晶體管陣列
在本研究中，首次展示了基于薄膜的壓電式晶體管陣列，對(duì)傳感單元的壓電效應(yīng)進(jìn)行了研究和定性表征。單位的應(yīng)變靈敏度（應(yīng)變系數(shù)）提高至199，這是商用箔規(guī)的靈敏度的約100倍。在每個(gè)傳感單元上進(jìn)行校準(zhǔn)后，通過(guò)傳感器陣列成功地測(cè)量并映射了應(yīng)用于器件上的應(yīng)變分布，這顯示了基于薄膜的壓電式晶體管陣列在高空間分辨率，高靈敏度場(chǎng)的變形傳感應(yīng)用中的巨大潛力。
【奪目亮點(diǎn)】
由于屏蔽效應(yīng)的降低，Li摻雜的ZnO顯示出比未摻雜的ZnO更好的應(yīng)變調(diào)諧的I-V特性。
基于Li摻雜的ZnO的面內(nèi)應(yīng)變傳感器比商用箔片的靈敏度高100倍。
利用Li摻雜的ZnO薄膜制備了一種高空間分辨率的面內(nèi)應(yīng)變傳感器陣列。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.薄膜壓電晶體管陣列的電鏡與XRD表征。
（a）ZnO連續(xù)薄膜壓電晶體管陣列的示意圖;（b）傳感器陣列的微結(jié)構(gòu);（c）RF濺射ZnO膜的表面和柱結(jié)構(gòu)的頂視圖和截面圖;（d）顯示ZnO生長(zhǎng)的XRD光譜沿c軸。
圖2. 薄膜壓電晶體管陣列的電學(xué)與力學(xué)性能。
（a）當(dāng)ZnO/Au界面為肖特基接觸時(shí)，各種應(yīng)變下Li摻雜薄膜的I-V特性，插入是界面為歐姆接觸時(shí)的I-V特性;（b）在單個(gè)Au/ZnO/=Au單元的應(yīng)變下的帶結(jié)構(gòu)變化。這里使用的壓電常數(shù)是“d31”;（c）＆（d）摻雜和未摻雜薄膜在肖特基界面上的電流變化，在10V的固定反向偏壓下應(yīng)變，（c）的插圖是作為壓力函數(shù)的電流的歸一化對(duì)數(shù)圖。
圖3. 單個(gè)傳感單元周圍電流密度分布的數(shù)值模擬。
超高電流濃度說(shuō)明了相鄰單元的量可以忽略的串?dāng)_。
展開(kāi) 天津大學(xué):基于N型二維有機(jī)單晶的高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管和近紅外光電晶體管
【成果簡(jiǎn)介】
有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和近紅外光電晶體管因其在邏輯電路、夜視、健康檢測(cè)和紅外成像等各個(gè)領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力，在過(guò)去幾十年來(lái)受到了全世界眾多研究者的特別關(guān)注。通常來(lái)說(shuō)，敏感度（光信號(hào)區(qū)別于暗態(tài)信號(hào)）是評(píng)價(jià)一個(gè)近紅外晶體管性能的重要指標(biāo)。為了獲得一個(gè)較高的敏感度和保證理想的晶體管行為，提高晶體管的載流子遷移率和降低暗電流通常是行之有效的方法。相較于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)紅外光電晶體管材料來(lái)說(shuō)，π共軛有機(jī)半導(dǎo)體具有廉價(jià)、質(zhì)輕、兼容柔性制備過(guò)程和快速室溫溶液加工等眾多優(yōu)勢(shì)。然而當(dāng)前的研究瓶頸問(wèn)題主要有兩點(diǎn)：1、具有場(chǎng)效應(yīng)遷移率超過(guò)1 cm2 V-1s-1 的窄帶隙近紅外材料并不多；2、窄帶隙近紅外材料因?yàn)闊峒ぐl(fā)在黑暗條件下通常較高載流子密度從而暗電流高居不下。因此，開(kāi)發(fā)出同時(shí)兼具較高場(chǎng)效應(yīng)遷移率和超低暗電流的近紅外有機(jī)光電晶體管就顯得尤為重要。超薄二維有機(jī)單晶恰好具備了以上兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一是長(zhǎng)程有序無(wú)晶界的單晶，有利于制備高電子遷移率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管；二是僅有幾個(gè)分子層的超薄溝道，在閾值電壓附近可以處于完全耗盡層從而使暗電流得以降低。
近日，天津大學(xué)胡文平教授和張小濤副研究員（共同通訊作者）課題組基于本組開(kāi)發(fā)的“溶液外延”生長(zhǎng)方法，成功制備了一種在830 nm近紅外波段具有很強(qiáng)的吸收的呋喃噻吩醌式樣品（TFT-CN）的N型有機(jī)二維單晶。制備出的二維晶體最大尺寸可達(dá)毫米級(jí)別而厚度僅有4.8 nm，對(duì)應(yīng)2~3個(gè)分子層。經(jīng)過(guò)粉末X-射線衍射、偏光顯微鏡、選區(qū)電子衍射等表征，證明了毫米級(jí)別的超薄TFT-CN晶體為一整塊單晶并且沒(méi)明顯有晶界的存在。以TFT-CN二維有機(jī)單晶同時(shí)作為吸光層和導(dǎo)電溝道制備而成的有機(jī)近紅外光電晶體管顯示出了非常優(yōu)異的性能。晶體管的場(chǎng)效應(yīng)電子遷移率最高為1.36 cm2 V-1s-1，平均為1.04 cm2 V-1s-1，開(kāi)關(guān)比可達(dá)108。
展開(kāi) 簡(jiǎn)述晶體管的發(fā)展史
來(lái)源：半導(dǎo)體芯聞，編譯自allaboutcircuits
自1947 年首次出現(xiàn)在貝爾實(shí)驗(yàn)室到今天，晶體管給電子行業(yè)帶來(lái)的變革可能比任何其他組件都要大。晶體管在現(xiàn)代技術(shù)的創(chuàng)新中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。雖然晶體管主要用于模擬電路中的放大和數(shù)字電路中的開(kāi)關(guān)，但密集的研究和開(kāi)發(fā)繼續(xù)為基于晶體管的新應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。
由于超大規(guī)模集成 (VLSI) 技術(shù)，數(shù)十億個(gè)晶體管可以放置在單個(gè)芯片上，用于計(jì)算應(yīng)用。例如，Apple的M1 Ultra SoC由 1140 億個(gè)晶體管組成——這是芯片上晶體管數(shù)量最多的一次。
早在 20 世紀(jì)初，工程師們就使用晶體管來(lái)放大電信號(hào)。這個(gè)用例的第一個(gè)實(shí)例來(lái)自英國(guó)電氣工程師John Ambrose Fleming，當(dāng)時(shí)他發(fā)明了真空管。然而，真空管面臨許多只有現(xiàn)代晶體管的發(fā)明才能解決的缺點(diǎn)。
點(diǎn)接觸晶體管：一顆星星誕生了
第一個(gè)公認(rèn)的晶體管是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員 Walter Brattain 和 John Bardeen 于 1947 年開(kāi)發(fā)的。經(jīng)過(guò)多次嘗試用硅制造放大器后，Bardeen 和 Brattain 決定使用一塊鍺板和兩個(gè)金箔來(lái)制造點(diǎn)接觸晶體管。當(dāng)金箔靠近鍺表面時(shí)，他們觀察到更多的電子空穴。貝爾研究人員還注意到，通過(guò)觸點(diǎn)的電流在金箔的另一個(gè)觸點(diǎn)處被進(jìn)一步提升和放大。
這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著電子行業(yè)以晶體管為主導(dǎo)的新時(shí)代的曙光。1952 年，點(diǎn)接觸晶體管在商業(yè)用途中廣泛使用，并有助于制造電話系統(tǒng)。
從鍺到硅
為了改進(jìn) Bardeen 和 Brattain 的晶體管設(shè)計(jì)，William Shockley 于 1951 年用鍺制造了結(jié)型晶體管。
展開(kāi) 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
表2：CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比
從表2可知，氮化鎵晶體管在動(dòng)態(tài)參數(shù)上都低于碳化硅MOSFET，因此氮化鎵晶體管的開(kāi)關(guān)損耗低于碳化硅MOSFET，在高工作頻率下的優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯。電流反向流動(dòng)時(shí)
（源極到漏極）
氮化鎵晶體管的壓降與其門(mén)極到源極的驅(qū)動(dòng)電壓相關(guān)，需要根據(jù)應(yīng)用情況對(duì)比孰高孰低。對(duì)于最后一項(xiàng)門(mén)限電壓Vgs
(th),
氮化鎵晶體管的數(shù)值非常小，意味著對(duì)于氮化鎵晶體管的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要非常注意，如果門(mén)極上的噪聲較大，有可能引起氮化鎵晶體管的誤開(kāi)通。同時(shí)CoolGaN為電流型驅(qū)動(dòng)模式，與傳統(tǒng)的電壓型驅(qū)動(dòng)有所不同。而碳化硅MOSFET的門(mén)限電壓高很多，其驅(qū)動(dòng)要求與IGBT驅(qū)動(dòng)非常接近。
圖13給出了另外一個(gè)重要的參數(shù)的對(duì)比，即導(dǎo)通電阻RDS
(on)
隨溫度變化率。眾所周知功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻都是正溫度系數(shù)，即結(jié)溫越高則導(dǎo)通電阻越大。從圖13可知碳化硅MOSFET的溫升系數(shù)遠(yuǎn)小于氮化硅晶體管以及硅MOSFET，在結(jié)溫100°C時(shí)相差已經(jīng)達(dá)到30%和50%。
展開(kāi) 科普 | 晶體管的分類
相對(duì)功率晶體管而得名，一般以樹(shù)脂封裝居多，這是其特點(diǎn)之一。
功率晶體管
一般功率晶體管的功率超過(guò)1W。相比小信號(hào)晶體管擁有更大的最大集電極電流、最大集電極功率，對(duì)于散熱而言，它本身形狀就很大 ，有的功率晶體管上還覆蓋著金屬散熱片。
晶體管"一詞由Transfer（傳送信號(hào)）和Resistor（電阻器）組成。構(gòu)成晶體管的硅是形成地球的巖石中大量含有的物質(zhì)。因此，晶體管也俗稱"石"，設(shè)計(jì)者常用"…之石"的叫法
3. 按集成度分類
為滿足客戶需求，ROHM在分立式晶體管以外，還制造集成多個(gè)晶體管的復(fù)合晶體管。包括內(nèi)置電阻的數(shù)字晶體管、集多個(gè)晶體管于一體的晶體管陣列，還有構(gòu)成簡(jiǎn)單電路的晶體管單元。
※數(shù)字晶體管
內(nèi)置電阻的晶體管。它是在電路設(shè)計(jì)中將頻繁使用的部分標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)物。
4. 按形狀分類
根據(jù)功率及安裝形態(tài)，決定了晶體管的外形大小和形狀。大體分為引腳型和表面安裝型。
來(lái)源：面包板社區(qū)
展開(kāi) 晶體管，到底是誰(shuí)發(fā)明的？
巴丁和布拉頓發(fā)明的晶體管，實(shí)際上應(yīng)該叫做點(diǎn)接觸式晶體管。從下圖中也可以看出，這種設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)陋。雖然它實(shí)現(xiàn)了放大功能，但結(jié)構(gòu)脆弱，對(duì)外界震動(dòng)敏感，也不易制造，不具備商業(yè)應(yīng)用的能力。
肖克利看準(zhǔn)了這個(gè)缺陷，開(kāi)始閉關(guān)研究新的晶體管設(shè)計(jì)。1948年1月23日，經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的努力，肖克利提出了一種具有三層結(jié)構(gòu)的新型晶體管模型，并將其名為結(jié)式晶體管（Junction Transistor）。這一年的6月26日，肖克利如愿獲得了只有自己名字的專利（專利號(hào)：US2569347A）。
肖克利的專利一開(kāi)始是受到廣泛質(zhì)疑的，很多人認(rèn)為這個(gè)模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)。后來(lái)，1950年，肖克利的同事兼好友摩根·斯卡帕斯（Morgan Sparks）和高登·蒂爾合作，經(jīng)過(guò)一系列嘗試，成功使用直拉法制作出了NPN型晶體管實(shí)物，才算給肖克利證名。
手握晶體管的肖克利
這一年的11月，肖克利發(fā)表了論述半導(dǎo)體器件原理的著作《半導(dǎo)體中的電子和空穴》，從理論上詳細(xì)闡述了結(jié)型晶體管的原理。
1951年初，結(jié)式晶體管的指標(biāo)全面超過(guò)了點(diǎn)接觸式晶體管。肖克利在晶體管發(fā)明上的貢獻(xiàn)，終于得到了貝爾實(shí)驗(yàn)室上下的一致認(rèn)可（至少是技術(shù)水平上的認(rèn)可）。
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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)散伙
晶體管的誕生，對(duì)于人類科技發(fā)展擁有極為重要的意義。它擁有電子管的能力，卻克服了電子管的缺點(diǎn)。從它誕生的那一刻，就決定了它將實(shí)現(xiàn)對(duì)電子管的全面取代。
進(jìn)入50年代，晶體管發(fā)展進(jìn)入了井噴期。晶體提純技術(shù)、光刻技術(shù)等全面爆發(fā)，可以說(shuō)是日新月異。
展開(kāi) 干貨 | 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
圖13：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管和硅MOSFET導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫變化曲線
應(yīng)用對(duì)比
首先在圖7所示的電流連續(xù)模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無(wú)橋PFC電路上對(duì)氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件如表3所示。
表3：PFC電路測(cè)試條件
測(cè)試中每種功率開(kāi)關(guān)都測(cè)試了兩種導(dǎo)通電阻的器件，對(duì)于氮化鎵晶體管，RDS(on)分別為35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET則分別是65mohm和80mohm。測(cè)試結(jié)果如圖14所示。在輕載情況下由于功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗高于導(dǎo)通損耗，因此氮化鎵晶體管的效率明顯高于碳化硅晶體管。當(dāng)負(fù)載逐漸加重時(shí)，導(dǎo)通損耗在總損耗中的占比高于開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)由于負(fù)載加大，功率開(kāi)關(guān)的溫升升高，而根據(jù)圖13導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫的變化率可知碳化硅晶體管的導(dǎo)通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開(kāi)關(guān)的效率差異已經(jīng)非常小，雖然碳化硅晶體管的25°C下的導(dǎo)通電阻是高于氮化鎵晶體管的。
展開(kāi) 
聚焦 | 2nm后，晶體管的新選擇
MOL是一種將晶體管（FOEL）與多層配線（BEOL）連接在一起的孔（Via），雖然imec使用了Co，還有其他選擇項(xiàng)如Mo、Ru等。
此外，4納米---3納米中采用了具有Nanosheet結(jié)構(gòu)的晶體管。
此次的VLSI座談會(huì)上，有關(guān)7納米、5納米、3納米的文章發(fā)布得比較多，然而，筆者卻發(fā)現(xiàn)將Gate All Around（GAA）的Nanosheet結(jié)構(gòu)應(yīng)用在這些節(jié)點(diǎn)上的情況是全球共通的認(rèn)知。
同時(shí)從技術(shù)藍(lán)圖看，在2納米中，使用搭載了Buried Power Rail（BPR，在晶體管下埋入電源線的構(gòu)造）的Forksheet晶體管；在1納米中，將會(huì)使用采用了BPR的Complementary FET（CFET）。
imec在其內(nèi)部達(dá)成了以下共識(shí)：3納米之前采用Nanosheet、2納米采用Forksheet、1納米采用CFET。
也就是說(shuō)，在此次VLSI座談會(huì)上，imec也是基于以上技術(shù)藍(lán)圖而做的發(fā)表。
展開(kāi) 5nm以后的晶體管選擇
推動(dòng)晶體管往5nm以下節(jié)點(diǎn)微縮是VLSI工業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，因?yàn)樵阶冊(cè)叫〉?em>晶體管帶來(lái)了各種各樣的挑戰(zhàn)，全世界也正在就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行一些深入研究以克服未來(lái)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的挑戰(zhàn)。
在本文，我們回顧了包括如碳納米管FET，Gate-All-Around FET和化合物半導(dǎo)體在內(nèi)的潛在晶體管結(jié)構(gòu)和材料，他們被看做解決現(xiàn)有的硅FinFET晶體管在5nm以下節(jié)點(diǎn)縮放的問(wèn)題。
半導(dǎo)體時(shí)代始于1960年，是伴隨著集成電路的發(fā)明而開(kāi)啟的。在集成電路中，所有有源/無(wú)源元件及其互連都集成在單個(gè)硅晶圓上，這就使得它們?cè)诒銛y性、功能性、功耗和性能方面具有領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。而在過(guò)去幾十年里，VLSI行業(yè)也在摩爾定律的“指導(dǎo)”下快速發(fā)展。所謂摩爾定律，是指集成在芯片上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡暝黾右槐丁?為了從縮小尺寸的晶體管獲得相應(yīng)的收益，VLSI行業(yè)在不斷改進(jìn)晶體管的結(jié)構(gòu)、材料、制造技術(shù)以及設(shè)計(jì)IC的工具。到目前為止，晶體管所采用的各種技術(shù)包括了高K電介質(zhì)，金屬柵極，應(yīng)變硅（strained silicon），雙圖案化（double patterning），從多個(gè)側(cè)面控制通道，絕緣體上的硅（SOI）和更多技術(shù)。其中一些技術(shù)在《關(guān)于CMOS，SOI和FinFET技術(shù)的評(píng)論文章》中有討論過(guò)。
如今，物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)駕駛汽車，機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能和互聯(lián)網(wǎng)流量的需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，這將給晶體管帶來(lái)了縮小到現(xiàn)有7nm節(jié)點(diǎn)以下以獲得更高性能的驅(qū)動(dòng)力。然而，縮小晶體管尺寸卻存在若干挑戰(zhàn)。
亞微米（Sub-Micron）技術(shù)的問(wèn)題：
每次我們縮小晶體管尺寸時(shí)，都會(huì)生成一個(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。所以我們已經(jīng)看到了如28nm，16nm等的晶體管尺寸。
展開(kāi) 晶體管BJT和MOSFET是如何工作的?
晶體管是一個(gè)簡(jiǎn)單的組件，可以使用它來(lái)構(gòu)建許多有趣的電路。在本文中，將帶你了解晶體管是如何工作的，以便你可以在后面的電路設(shè)計(jì)中使用它們。
一旦你了解了晶體管的基本知識(shí)，這其實(shí)是相當(dāng)容易的。我們將集中討論兩個(gè)最常見(jiàn)的晶體管：BJT和MOSFET。
晶體管的工作原理就像電子開(kāi)關(guān)，它可以打開(kāi)和關(guān)閉電流。一個(gè)簡(jiǎn)單的思考方法就是把晶體管看作沒(méi)有任何動(dòng)作部件的開(kāi)關(guān)，晶體管類似于繼電器，因?yàn)槟憧梢杂盟鼇?lái)打開(kāi)或關(guān)閉一些東西。當(dāng)然了晶體管也可以部分打開(kāi)，這對(duì)于放大器的設(shè)計(jì)很有用。
1 晶體管BJT的工作原理
讓我們從經(jīng)典的NPN晶體管開(kāi)始。
下圖是個(gè)雙極結(jié)晶體管(BJT)，有三個(gè)引腳：
基極(B)
集電極(C)
發(fā)射極(E)
如果你打開(kāi)它，電流可以通過(guò)它從集電極到發(fā)射極。當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)。
在下面的示例電路中，晶體管是關(guān)著的。這意味著沒(méi)有電流可以通過(guò)它，所以發(fā)光二極管也被關(guān)閉了。
要打開(kāi)晶體管，基極和發(fā)射極之間的電壓約為0.7V。
如果你有一個(gè)0.7V的電池，你可以把它連接到基極和發(fā)射極之間，晶體管就會(huì)打開(kāi)。
既然我們大多數(shù)人沒(méi)有0.7V的電池，我們?cè)趺创蜷_(kāi)晶體管？
很簡(jiǎn)單！晶體管的基極到發(fā)射極部分的工作原理是二極管，二極管有一個(gè)正向電壓，它會(huì)從可用電壓中“抓取”這部分電壓。如果你在串聯(lián)中加入一個(gè)電阻器，其余的電壓就會(huì)在電阻器上分壓。
因此，增加一個(gè)電阻器，你會(huì)自動(dòng)獲得0.7V左右。這和你通過(guò)LED限制電流確保它不會(huì)爆炸是一樣的原理。
展開(kāi) 3nm后的晶體管選擇
近期有數(shù)家晶圓廠宣布，其3納米或2納米邏輯芯片的量產(chǎn)技術(shù)將轉(zhuǎn)移陣地，從主流的鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）制程，改以納米片（nanosheet）的晶體管架構(gòu)制造。imec將于本文回顧納米片晶體管的早期發(fā)展歷程，并展望其新世代架構(gòu)，包含叉型片（forksheet）與互補(bǔ)式場(chǎng)效晶體管（CFET）。
芯片產(chǎn)業(yè)從未為了量產(chǎn)而急于采用全新的晶體管架構(gòu)，因?yàn)檫@會(huì)帶來(lái)錯(cuò)綜復(fù)雜的新局面和投資成本。但在近期，象是三星、Intel、臺(tái)積電和IBM等公司的公開(kāi)聲明都在在顯示，我們正面臨制程技術(shù)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折。
自2022年或2023年起，這些半導(dǎo)體大廠都將從長(zhǎng)期采用的鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）制程中逐漸轉(zhuǎn)移，在3納米或2納米邏輯芯片的生產(chǎn)規(guī)劃中，導(dǎo)入納米片（nanosheet）形式的晶體管架構(gòu)。
本文將解釋驅(qū)動(dòng)此次歷史性轉(zhuǎn)折的主要因素，也會(huì)介紹不同世代的納米片架構(gòu)，包含納米片、叉型片（forksheet）和互補(bǔ)式場(chǎng)效晶體管（CFET），同時(shí)針對(duì)這系列架構(gòu)在CMOS微縮進(jìn)程中的個(gè)別競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行評(píng)比，并探討關(guān)鍵的制程步驟。
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