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    2020-10-26 14:21
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    为什么芯片上的晶体管越做越小丨回形针
    以下文章来源于回形针PaperClip ,作者娄夏冰 九月的最后一天,我们发布了一支《如何在纳米尺度雕刻芯片》,展现芯片制造的工艺和难点。在评论区,我们收到了一个有趣的提问:为什么一定要把晶体管做小? 今天,我们就将重点聚焦到芯片里最基础的结构——晶体管,并试图解答:制约晶体管越做越小的因素,究竟是什么? 这是世界上第一支三极晶体管的复制品,大约有一个苹果那么大。和其他一些简单的电子元件一起,可以组成一个晶体管收音机。 今天,数字电路中最常见的晶体管被称为 MOSFET,简化一下大概长这样,尺寸缩小到以纳米为计。你的手机和电脑里的芯片,都是由数十亿个这样的晶体管组成的。依照电流产生的不同方式,可分为 N 型和 P 型。 在 1965 年到 1975 年,英特尔的创始人高登·摩尔(Gordon Moore)指出,芯片中的晶体管数量大概每两年翻一番。由于芯片通常采用平面工艺,相对应地,晶体管的尺寸每两年也在缩小约 30%。 尺寸,代表着晶体管的技术节点。起初,它用栅极长度来表示,如果这个长度为 90 nm,那每平方毫米的芯片大概能容纳约一百四十五万个这样的晶体管。 尽管这只是一个经验性预测,却被半导体行业精确地执行了 40 余年。为什么晶体管需要越做越小? 回答这个问题之前,首先要知道 MOSFET 晶体管是如何工作的。 它本质上是一个开关,其中的栅极,决定了源极 S 和漏极 D 之间能否导通。 以 N 型晶体管为例,栅极、介电层和底部的 P 型硅衬底组成了一个简单的电容器。当栅极没有加电压的时候,S 和 D 中间的沟道电子很少,因此电阻比较大,S 和 D 无法导通;而当栅极加一个正电压的时候,由于电场的吸引,电子聚集在 S 和 D 之间的沟道内,因此电阻减小,S 和 D 导通。 如果把一个 N 型 MOSFET 和一个 P 型 MOSFET 以下图的方式组合在一起,就构成了一个简单的反相器电路,用来实现最基本的「非」逻辑运算,比如输入 0 输出 1,输入 1 则输出 0。多个类似的逻辑模块的组合就可以实现基础的加减法乃至导弹姿态控制这样的复杂计算。 显而易见,要实现这么复杂的功能,肯定需要很多个晶体管。因此,必须把晶体管做得足够小,才能塞进你的电脑机箱。 不过,还有比这更重要的原因在驱使晶体管不断变小——我们需要提高晶体管的开关速度。 以晶体管最重要的应用 CPU 为例,晶体管的开关速度限制了 CPU 的运算速度。 根据电容器充电原理,开关导通速度和电容大小相关。电容越大,充电时间越长,开关导通速度越慢。所以,我们需要减小电容,从而提高运算速度。 从上面这个公式可以看出,减小电容可以通过三种方式:增加介电层厚度,改变介电常数,和减小面积。 但介电层厚度太大,会导致沟道内的电场不够强,不足以导通;改变介电常数需要更换介电材料,相当长的时间里可供选择的介电材料非常有限。 因此,唯一可行的方法就是减小面积,也就是减小沟道长度和宽度。于是,晶体管遵循这一策略一直缩小。正准备迈向 22 nm 节点时,问题出现了。 当沟道长度小于一定值,栅极对于沟道的控制能力下降。以 N 型 MOSFET 为例,在栅极没有加压时,沟道处于关断状态。此时,漏极电压为 10 mV,不论是长沟道还是短沟道,电子在跨越栅极时都需要更高的能量,像翻越一座高山。 而当漏极电压增大到 1 V 时,短沟道的电子跨越栅极所需的能量大大减少,让晶体管直接从关断变成导通。以往横亘的高山被削平,电子的流动再也不受限制了。 到了这个地步,晶体管还能再更小吗? 加州大学伯克利分校的胡正明教授给出了肯定的答案,他在世纪之交提出 FinFET(鳍式场效应晶体管)的概念,进一步激发了晶体管的潜能。 通过将沟道向上延展,变成一个类似鱼鳍的形状,使得栅极可以从三个方向对沟道施加电场,从而保证即便沟道长度很小,也能有效地控制开关。从 22 nm 以下的晶体管器件开始,基本上都采用了这一结构。 随着结构的变化以及工艺的进步,今天,工艺名称已经不再和栅极长度完全对应。比如台积电的 7 nm 工艺制造的晶体管,栅极长度约 24 nm,每平方毫米芯片上排布着约九千六百五十万个晶体管。 同时由于电感和电阻的增加,令缩小尺寸带来的开关速度提升愈发不明显,算力的提升主要依靠增加单位面积的晶体管数量,这就是为什么你的 CPU 主频和十年前的没有什么差别,但核心数量则一直在增加。这也从另一个方面要求晶体管尺寸做得更小。 除了提高运算速度,我们也希望 CPU 里的晶体管在完成每一个运算的同时,消耗尽可能少的电。 电都花在哪儿了呢? 观察晶体管的开关方式,可以发现能量主要消耗在两个地方:一个是开关时对栅极 G 电容的充放电;另一个是导通时源极 S 和漏极 D 之间的电阻消耗,以及关断期间的漏电流。 其中栅极 G 上的开关损耗可以表示为下面这道公式。能量损耗与电容、开关频率和工作电压的平方成正比,在必须提高开关速度且不能改变工作电压的情况下,只能尽量减小电容来降低损耗。 于是,缩小尺寸就成为提高运算速度和降低功耗的不二法门。 为了实现变小变快的愿景,过去几十年间,全世界最顶尖的工程师在这个无法直接用肉眼观测的世界里不断钻研。除了以上提到的速度和功耗,加工成本、导线互联的延迟和损耗、散热效率等众多复杂的原因也在共同影响着晶体管的发展。 今天,一块不到一平方厘米的空间,容纳着数以百亿计的晶体管,也集成着人类的群体智慧,不断改变你的生活方式。 -参考资料: Ytterdal, T., Cheng, Y., & Fjeldly, T. A. (2003). Device Modeling for Analog and RF CMOS Circuit Design. Wiley. Hisamoto, D., et al. (2000). FinFET—A Self-Aligned Double-Gate MOSFET Scalable to 20 nm. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 47(12), 2320-2325. Amirtharajah, R. (2008). EEC 216 Lecture #1: CMOS Power Dissipation and Trends. University of California, 28-33. -在【回形针PaperClip】公众号对话框回复「晶体管」,可获取本篇图文用到的参考资料。 深圳市中远亚电子有限公司 中远亚电子,在芯片行业深耕十年之久,用芯服务好每一位客户,至今已服务全国1500多家企业。通过源头缩短供应链,节约成本,组建最敏捷的元件供应系统。确切保障交付的时间,从样板起严格控制物料质量,致力成为电子元器件采购的好伙伴。 中远亚一切围绕以客户为核心的元件供应服务,真正做到不仅仅是卖芯片,而是致力为客户提供更有价值的服务。目前,已建立自己的检测实验室,已开发有累积上千个模拟检测平台。十年以来,建立属于自己独特的可执行的超严格检测流程。 助力中国制造,为中国制造保驾护航,是中远亚的使命。高要求的客户,成就了高质量标准的中远亚。为继续了解中远亚,请关注芯广场微信公众号,联系我们。 * *有采购芯片需求(样板可售),详情联系芯广场公众号。
  • 2020-7-17 14:23
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    ​韦尔股份|WILLSEMI -------------------------------------------------------------------- 企业简介 上海韦尔半导体有限公司是一家以自主研发、销售服务为主体的半导体器件设计和销售公司,公司成立于2007年5月,总部坐落于有“中国硅谷”之称的上海张江高科技园区,在深圳、台湾、香港等地设立办事处。 公司主营产品包括保护器件(TVS、TSS)、功率器件(MOSFET、Schottky Diode、Transistor)、电源管理器件(Charger、LDO、Buck、Boost、Backlight LED Driver、Flash LED Driver)、模拟开关等四条产品线,700多个产品型号,产品在手机、电脑、电视、通讯、安防、车载、穿戴、医疗等领域得到广泛应用,公司业绩连续多年保持稳定增长。 随着公司发展,公司逐步引进大量人才,重点加强研发、品质等方面人才储备,同时建立了先进的可靠性实验室、EMC实验室,在产品的研发、试产、量产过程中,对产品质量层层把关,并为合作伙伴提供大量的EMC测试,在得到合作伙伴认可的同时,韦尔半导体正逐步成为国际知名的半导体器件厂商。 发展历程 集团关联公司 香港华清电子(集团)有限公司 豪威集团 北京思比科微电子技术股份有限公司 主营产品 线性产品(放大器、音频驱动器)、保护器件(小功率静电保护器件、大功率浪涌保护器件、大功率固体放电管)、肖特基二极管、场效应晶体管、双极型晶体管、电源管理(线性稳压器、开关稳压器、LED驱动、负载开关、过压保护、充电管理)、模拟开关(数字开关、音频开关)、USB-C接口电路(逻辑识别)、射频器件(射频开关、低噪声放大器、天线调谐器)、音频器件 G M T Y 检测语言世界语中文简体中文繁体丹麦语乌克兰语乌兹别克语乌尔都语亚美尼亚语伊博语俄语保加利亚语信德语修纳语僧伽罗语克罗地亚语冰岛语加利西亚语加泰罗尼亚语匈牙利语南非祖鲁语卡纳达语卢森堡语印地语印尼巽他语印尼爪哇语印尼语古吉拉特语吉尔吉斯语哈萨克语土耳其语塔吉克语塞尔维亚语塞索托语夏威夷语威尔士语孟加拉语宿务语尼泊尔语巴斯克语布尔语(南非荷兰语)希伯来语希腊语库尔德语弗里西语德语意大利语意第绪语拉丁语拉脱维亚语挪威语捷克语斯洛伐克语斯洛文尼亚语斯瓦希里语旁遮普语日语普什图语格鲁吉亚语毛利语法语波兰语波斯尼亚语波斯语泰卢固语泰米尔语泰语海地克里奥尔语爱尔兰语爱沙尼亚语瑞典语白俄罗斯语科萨科西嘉语立陶宛语索马里语约鲁巴语缅甸语罗马尼亚语老挝语芬兰语苏格兰盖尔语苗语英语荷兰语菲律宾语萨摩亚语葡萄牙语蒙古语西班牙语豪萨语越南语阿塞拜疆语阿姆哈拉语阿尔巴尼亚语阿拉伯语韩语马其顿语马尔加什语马拉地语马拉雅拉姆语马来语马耳他语高棉语齐切瓦语 世界语中文简体中文繁体丹麦语乌克兰语乌兹别克语乌尔都语亚美尼亚语伊博语俄语保加利亚语信德语修纳语僧伽罗语克罗地亚语冰岛语加利西亚语加泰罗尼亚语匈牙利语南非祖鲁语卡纳达语卢森堡语印地语印尼巽他语印尼爪哇语印尼语古吉拉特语吉尔吉斯语哈萨克语土耳其语塔吉克语塞尔维亚语塞索托语夏威夷语威尔士语孟加拉语宿务语尼泊尔语巴斯克语布尔语(南非荷兰语)希伯来语希腊语库尔德语弗里西语德语意大利语意第绪语拉丁语拉脱维亚语挪威语捷克语斯洛伐克语斯洛文尼亚语斯瓦希里语旁遮普语日语普什图语格鲁吉亚语毛利语法语波兰语波斯尼亚语波斯语泰卢固语泰米尔语泰语海地克里奥尔语爱尔兰语爱沙尼亚语瑞典语白俄罗斯语科萨科西嘉语立陶宛语索马里语约鲁巴语缅甸语罗马尼亚语老挝语芬兰语苏格兰盖尔语苗语英语荷兰语菲律宾语萨摩亚语葡萄牙语蒙古语西班牙语豪萨语越南语阿塞拜疆语阿姆哈拉语阿尔巴尼亚语阿拉伯语韩语马其顿语马尔加什语马拉地语马拉雅拉姆语马来语马耳他语高棉语齐切瓦语 文本转语音功能仅限200个字符 选项 : 历史 : 反馈 : Donate 关闭
  • 2020-7-9 15:47
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    ​韦尔股份|WILLSEMI -------------------------------------------------------------------- 企业简介 上海韦尔半导体有限公司是一家以自主研发、销售服务为主体的半导体器件设计和销售公司,公司成立于2007年5月,总部坐落于有“中国硅谷”之称的上海张江高科技园区,在深圳、台湾、香港等地设立办事处。 公司主营产品包括保护器件(TVS、TSS)、功率器件(MOSFET、Schottky Diode、Transistor)、电源管理器件(Charger、LDO、Buck、Boost、Backlight LED Driver、Flash LED Driver)、模拟开关等四条产品线,700多个产品型号,产品在手机、电脑、电视、通讯、安防、车载、穿戴、医疗等领域得到广泛应用,公司业绩连续多年保持稳定增长。 随着公司发展,公司逐步引进大量人才,重点加强研发、品质等方面人才储备,同时建立了先进的可靠性实验室、EMC实验室,在产品的研发、试产、量产过程中,对产品质量层层把关,并为合作伙伴提供大量的EMC测试,在得到合作伙伴认可的同时,韦尔半导体正逐步成为国际知名的半导体器件厂商。 发展历程 集团关联公司 香港华清电子(集团)有限公司 豪威集团 北京思比科微电子技术股份有限公司 主营产品 线性产品(放大器、音频驱动器)、保护器件(小功率静电保护器件、大功率浪涌保护器件、大功率固体放电管)、肖特基二极管、场效应晶体管、双极型晶体管、电源管理(线性稳压器、开关稳压器、LED驱动、负载开关、过压保护、充电管理)、模拟开关(数字开关、音频开关)、USB-C接口电路(逻辑识别)、射频器件(射频开关、低噪声放大器、天线调谐器)、音频器件
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    2014-1-10 12:29
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    5.   双运放将… a)      可能有很好匹配的偏移电压。 b)      可能有很好匹配的偏移电压温漂。 c)       a和b。 d)      可以节省空间和成本。 先不给出答案,开始搬运。 因为TI攻城狮的翻译实在是水(kan)平(bu)高(dong),所以有了这个搬运文,渣CET6水准,别喷。 本文取自,戳。 当两个或更多的运放的特性匹配良好时,有些电路的表现会非常好。那么,在一个双/四运放封装中,它们的特性又匹配得如何呢?嗯哼?译者:卖萌是求打脸的节奏 在我们的精密运放E2E论坛(precision amplifier E2E forum)译者:这货是什么上出现的最多的要求就是:匹配偏移电压和温度电压漂移。举个栗子,如果你在设计一个仪表运放,匹配运放偏移可能会接近于0( matching op amp offsets would produce a net zero offset )。但是,实际情况呢? 我们来看图1几何布局: 图1图中文字:这个双运放拥有一个对角线的共质心的输入级,并且布局很均衡。管A和A',B和B'均平行 每 个运放都有输入级晶体管,它们必须匹配良好,从而运放才能有较小的偏移电压。我们很撸力地仔细匹配这些晶体管对。图中的这种对角连接方式是一种基本的技术 ——每个晶体管都被分成了两半,A和A',B和B',从而这些晶体管对的几何中心可以重合。如今,我们用更精细的工艺来混合布置晶体管。共质心 (common centroid)是其中最常见的技术。 问题来了……为什么会有问题……我根本看不出来问题 我们的确在IC的某一侧仔细地匹配了两个共质心的输入级晶体管,剩下的却是随机失配(residual random mismatch)。谁能保证IC另一侧的两个晶体管拥有相同的随机失配?!恐怕答案是 不太可能 。 其他原因造成的匹配的偏移可能存在,但我们已经尝试着消除了所有系统偏移的源头,所以剩下的偏移很可能都是随机的。很遗憾,但是偏移电压不大可能被很好地匹配。我感到了淡淡的恶意 我们在data sheet中一般用如下图的方式来描述: 所以依赖于内部元件匹配的一些参数——即使在双/四运放中也不大可能比单运放匹配得更好。比如说: 偏移电压——依赖于晶体管匹配 偏移温漂——依赖于晶体管匹配 BJT运放的输入偏移电流——依赖于晶体管β 然而,对于依赖于内部元件的基本参数的一些参数——在双/四运放中却很可能比单运放匹配得更好。比如说: 增益带宽积——依赖于电容绝对值和电流绝对值 压摆率(Slew Rate)——依赖于电容绝对值和电流绝对值 无输入偏置电流消除的BJT运放的输入偏置电流 老前辈们可能记得早期的双运放的确倾向于更加匹配——就它们特定值的百分比来说(   as a percentage of their specified value )。但是这些老器件的表现实在是平平。它们设计简单,没有细致地注意内部元件的匹配,没有今天的这种均衡的设计以及IC布局。   我们得到的结论是:双/四运放仅仅是良好平衡的设计以及IC布局,而在偏移上,并没有做的更好。 所以本题应该选d。
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    2010-11-23 21:21
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    晶体管图示仪是半导体器件生产厂商、电子产品整机厂商、电子专业实验室等机构最常用的一种仪器之一。 现在通用的晶体管图示仪基本上是国产图示仪的天下,其价格仅仅数千元,国外仪器厂家基本上都退出了通用图示仪的市场。但是国产图示仪的性能较差,设计比较“土”。如果你想多花点钱,比如花个万把元或几万元,想买一个稍微好一点的,对不起,没有这个档次的,除非你买几十万元的进口的。也就是说,晶体管图示仪现在只有国产抵挡货或进口高档货,中间档次的是个断层。 为什么会出现这种情况呢?我认为主要原因还是国产晶体图示仪抄无可抄了,所以一直吃老本。 普通的晶体管图示仪很早就出现了,由于其门槛不高,所以国内厂家很容易就抄出来了。可笑的是,国产厂家生产的图示仪就连面板的布局几乎都是雷同的,抄袭痕迹一览无余。由于无利可图,国外的图示仪厂家放弃了这块市场。 但是,电子产品的发展日新月异。而国产的晶体管图示仪却裹足不前。这么多年了,国产的晶体管图示仪基本没有任何进步,还是多年前的老古董设计,远远满足不了市场的需求。没办法,人家老外都放弃生产通用晶体图示仪了,所以老外当然也就不去研究新的产品,国产图示仪的厂家没有真正的创新能力,现在没得抄了,所以就不会有新的产品出来了。 如果国产的晶体图示仪厂家真的有创新能力,事实上现有的图示仪是有很多可改善的地方的。比如现有的图示仪精度太差了,可以在精度上下功夫。还有,现在的半导体器件越来越小,仪器的测试分辨力可以做得越来越精细 ( 比如漏电流的分辨力可以往 nA 极甚至 pA 极发展 ) 。还有,至今绝大多数国产晶体管图示仪还不能存储曲线 ( 数字式图示仪 ) 、无法参数把设置值显示在屏幕上,都没有 U 盘接口 ( 比如示波器都有 U 盘接口 ) 等,都什么时代了,还这么土。还有,现在晶体管贴片式的用量比插件式的还多,但是也没有看见哪家国产晶体图示仪厂家为各种贴片式晶体管设计过夹具。   晶体管图示仪虽然用量不是非常大,但是市场也不小。事实上,现在很多人都想找一些比现有的晶体图示仪高档一些 ( 中档性能和价格 ) 的产品,可惜没有。晶体管图示仪这么简单仪器,国内厂家就不会多创新一点,可见真正的创新在中国还是稀缺资源。当然 , 如果有晶体管图示仪的厂家按我说的思路去设计图示仪,那么他们肯定会成为晶体管图示仪行业的领袖。  
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