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.

A- A+

05.01.2019 tarihli yazı 11705 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.

►İlginizi Çekebilir: FET ve MOSFET Nedir?

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.

►İlginizi Çekebilir: En Küçük Boyutlu 3D Transistör Üretildi

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 (V_T), 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, V_T eşik geriliminden dolayı oluşan değişimdir.

Yukarıda anlattıklarımızın haricinde de farklı kısa kanal etkileri vardır.

►İlginizi Çekebilir: ISFET (İyon Duyarlı Alan Etkili Transistör) Nedir?

►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.

►İlginizi Çekebilir: BJT ve FET Arasındaki Farklar

►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.

►İlginizi Çekebilir: İnsan Sinapsını Taklit Eden Organik Transistör NOMFET Geliştirildi

►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.

►İlginizi Çekebilir: Ortak Uçlu Devreler: BJT Konfigürasyonları

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.

►İlginizi Çekebilir: UJT Transistör Nedir?

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.

►İlginizi Çekebilir: Moore Yasası Nedir?

►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.

►İlginizi Çekebilir: Yeni Malzemelerle Bir Boyutlu Transistörler

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