MuGFET – Tranzystor polowy z wieloma bramkami (Multi-Gate Field Effect Transistor)
MuGFET, czyli Multi-Gate Field Effect Transistor, to zaawansowana struktura tranzystora polowego, która została opracowana w odpowiedzi na ograniczenia klasycznych tranzystorów MOSFET w nanometrowych technologiach. W tradycyjnych układach CMOS, przy zmniejszaniu wymiarów tranzystora poniżej 30 nm, pojawiają się zjawiska takie jak prądy upływu i słaba kontrola nad kanałem przez bramkę. W tym kontekście MuGFET stanowi przełom, oferując znacznie lepszą kontrolę elektrostatyczną dzięki zastosowaniu wielu bramek obejmujących kanał. Dziś zagłębimy się w jego konstrukcję, działanie oraz zastosowania, które czynią go fundamentem nowoczesnej nanoelektroniki.
Budowa i zasada działania MuGFET
W przeciwieństwie do klasycznego MOSFET-a z pojedynczą bramką umieszczoną nad kanałem, MuGFET wykorzystuje kilka bramek otaczających kanał z wielu stron. Może to być struktura double-gate (podwójna bramka), triple-gate, FinFET (gdzie kanał przypomina „płetwę” wystającą z powierzchni krzemu) lub nawet nanodruty z bramką typu gate-all-around. Taka architektura umożliwia lepszą modulację przewodnictwa kanału i eliminuje wiele problemów związanych z krótkim kanałem (short-channel effects).
W tranzystorze MuGFET przepływ prądu pomiędzy źródłem a drenem kontrolowany jest przez napięcie przyłożone do bramek. Dzięki temu, że bramki otaczają kanał z wielu stron, zwiększa się powierzchnia kontroli i możliwe jest precyzyjne sterowanie nawet przy bardzo małych długościach kanału, np. poniżej 10 nm. Tego typu rozwiązania są już standardem w technologii produkcji układów scalonych 7 nm, 5 nm i mniejszych.
Porównanie MuGFET z klasycznym MOSFET
| Cecha | MOSFET | MuGFET |
|---|---|---|
| Ilość bramek | Jedna | Wiele (2, 3, lub więcej) |
| Kontrola kanału | Ograniczona | Znacznie lepsza |
| Zużycie energii | Większe | Mniejsze |
| Występowanie efektów krótkiego kanału | Znaczne | Minimalne |
Typy struktur MuGFET
- FinFET: Najczęściej stosowany w przemyśle. Kanał ma postać pionowej „płetwy”, a bramki są po bokach i na górze kanału.
- Gate-All-Around (GAA): Kanał (np. nanodrut) jest całkowicie otoczony przez bramkę – najlepsza kontrola, ale trudniejszy w produkcji.
- Double-Gate: Dwie bramki po przeciwnych stronach kanału – kompromis pomiędzy jakością kontroli a łatwością produkcji.
Zastosowania MuGFET
MuGFET-y znajdują zastosowanie przede wszystkim w nowoczesnych mikroprocesorach i układach pamięci. Dzięki niższemu zużyciu energii i lepszej kontroli nad stanem logicznym, pozwalają na zwiększenie gęstości upakowania tranzystorów oraz zmniejszenie zjawisk cieplnych. Procesory wykonane w technologii 7 nm, 5 nm, a obecnie nawet 3 nm, są niemal w całości oparte na strukturach FinFET i GAA.
W projektowaniu układów cyfrowych, gdzie precyzja i energooszczędność są kluczowe, przejście na MuGFET pozwala osiągnąć wyższe taktowania przy zachowaniu mniejszego poboru mocy. Co ciekawe, podobne koncepcje wykorzystywane są również w projektowaniu tranzystorów dla układów analogowych i RF, choć tam wyzwania są inne – m.in. zachowanie liniowości i niski szum własny.
Wpływ MuGFET na rozwój nanoelektroniki
Dzięki zastosowaniu MuGFET udało się przekroczyć barierę miniaturyzacji, która dla klasycznego MOSFET wydawała się końcem skalowania. Technologia ta otworzyła drogę do tworzenia chipów zawierających miliardy tranzystorów, przy zachowaniu ich sprawności i niezawodności. Oczywiście, MuGFET to nie tylko czysta miniaturyzacja – to także większe wyzwania związane z projektowaniem masek litograficznych, dopasowaniem layoutu oraz symulacją zjawisk cieplnych i elektromagnetycznych w trójwymiarowych strukturach tranzystorowych.
Warto w tym kontekście wspomnieć, że podobne problemy związane z kontrolą kanału obserwuje się także w tranzystorach typu FD-SOI (Fully Depleted Silicon on Insulator), które również oferują ulepszoną kontrolę elektrostatyczną, ale w inny sposób niż MuGFET. Czasem w układach analogowych spotkamy rozwiązania hybrydowe, łączące klasyczne tranzystory z MuGFET-ami, co pozwala osiągnąć kompromis pomiędzy precyzją a ceną produkcji. W poprzednim artykule szczegółowo omawialiśmy architekturę FinFET, a następnym razem przyjrzymy się, jak rozwój technologii GAAFET wpływa na przyszłość układów scalonych, szczególnie tych wykorzystywanych w sztucznej inteligencji i edge computing.
