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❐ 場效電晶體(FET：Field Effect Transistor)
FET的全名是「場效電晶體(FET：Field Effect Transistor)」，先從大家較耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS的全名是「金屬－氧化物－半導體場效電晶體(MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)」， 構造如＜圖一＞所示，左邊灰色的區域(矽)叫做「源極(Source)」，右邊灰色的區域(矽)叫做「汲極(Drain)」，中間有塊金屬(綠色)突出來叫做「閘極(Gate)」，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物(黄色)，因為中間由上而下依序為金屬(Metal)、氧化物(Oxide)、半導體(Semiconductor)，因此稱為「MOS」。知識力www.ansforce.com。

圖一　MOSFET代表一個0或一個1，就是電腦裡的一個「位元(bit)」。

❐ MOSFET的工作原理與用途
MOSFET的工作原理很簡單，電子由左邊的源極流入，經過閘極下方的電子通道，由右邊的汲極流出，中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過，有點像是水龍頭的開關一樣，因此稱為「閘」；電子是由源極流入，也就是電子的來源，因此稱為「源」；電子是由汲極流出，看看說文解字裡的介紹：汲者，引水于井也，也就是由這裡取出電子，因此稱為「汲」。
➤當閘極不加電壓：電子無法導通，代表這個位元是0，如＜圖一(a)＞所示；
➤當閘極加正電壓：電子可以導通，代表這個位元是1，如＜圖一(b)＞所示。

MOSFET是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體(FET)，科學家將它製作在矽晶圓上，是數位訊號的最小單位，一個MOSFET代表一個0或一個1，就是電腦裡的一個「位元(bit)」。電腦是以0與1兩種數位訊號來運算；我們可以想像在矽晶片上有數十億個MOSFET，就代表數十億個0與1，再用金屬導線將這數十億個MOSFET的源極、汲極、閘極連結起來，電子訊號在這數十億個0與1之間流通就可以交互運算，最後得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果，這就是電子計算機(電腦)的基本工作原理。晶圓廠像台積電、聯電，就是在矽晶圓上製作數十億個MOSFET的工廠。 

❐ 閘極長度： 半導體製程進步的關鍵
在 MOSFET 中，「閘極長度(Gate length)」大約10奈米，是所有構造中最細小也最難製作的，因此我們常常以閘極長度來代表半導體製程的進步程度，這就是所謂的「製程線寬」。閘極長度會隨製程技術的進步而變小，從早期的0.18微米、0.13微米，進步到90奈米、65奈米、45奈米、22奈米、10奈米，到目前台積電正在開發的最新製程7奈米、5奈米、3奈米。當閘極長度愈小，則整個MOSFET就愈小，而同樣含有數十億個MOSFET的晶片就愈小，封裝以後的積體電路就愈小，最後做出來的手機就愈小囉！10奈米到底有多小呢？細菌大約1微米(1000奈米)，病毒大約100奈米，換句話說，人類現在的製程技術可以製作出只有病毒1/10(10奈米)以下的結構，厲害吧！
 

這裡要特別注意，一般我們說的65、45奈米在MOS電晶體上是指「閘極長度」，但是到了14、10、7、5奈米在FinFET電晶體上指的其實是概念上的「平均長度」，只能當做是商品名稱，而不是真的閘極長度，這主要是因為FinFET電晶體的結構比較複雜，因此各家廠商都定義了各自不同的「平均長度」計算方式，所以當我們聽到台積電、英特爾、三星的「10奈米」製程，許多人都把它們當成同一個東西拿來比較，其實這樣比較是不正確的。

【備註】製程線寬其實就是閘極長度，只是圖一看起來10奈米的閘極長度反而比較短，因此有人習慣把它叫做「線寬」。知識力www.ansforce.com。

❐ FinFET將半導體製程帶入新境界
MOSFET的結構自發明以來，到現在已使用超過四十年，當閘極長度縮小到20奈米以下的時候，遇到了許多問題，其中最麻煩的是當閘極長度愈小，源極和汲極的距離就愈近，閘極下方的氧化物也愈薄，電子有可能偷偷溜過去產生「漏電(Leakage)」；另外一個更麻煩的問題，原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來控制的，但是閘極長度愈小，則閘極與通道之間的接觸面積(圖一紅色虛線區域)愈小，也就是閘極對通道的影響力愈小，要如何才能保持閘極對通道的影響力(接觸面積)呢？
 

因此美國加州大學伯克萊分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor等三位教授發明了「鰭式場效電晶體(FinFET：Fin Field Effect Transistor)」，把原本2D構造的MOSFET改為3D的FinFET，如＜圖二＞所示，因為構造很像魚鰭 ，因此稱為「鰭式(Fin)」。由圖中可以看出原本的源極和汲極拉高變成立體板狀結構，讓源極和汲極之間的通道變成板狀，則閘極與通道之間的接觸面積變大了(圖二黃色的氧化物與下方接觸的區域明顯比圖一紅色虛線區域還大)，這樣一來即使閘極長度縮小到20奈米以下，仍然保留很大的接觸面積，可以控制電子是否能由源極流到汲極，因此可以更妥善的控制電流，同時降低漏電和動態功率耗損，所謂動態功率耗損就是這個FinFET由狀態0變1或由1變0時所消耗的電能，降低漏電和動態功率耗損就是可以更省電的意思囉！

圖二　FinFET就是把原本2D構造的源極和汲極拉高變成立體板狀結構。

❐ 掌握FinFET技術就是掌握市場競爭力
簡而言之，鰭式場效電晶體是閘極長度縮小到10奈米以下的關鍵，擁有這個技術的製程與專利，才能確保未來在半導體市場上的競爭力，這也是讓許多國際大廠趨之若騖的主因，而在過去幾年台積電與三星的競爭中，台積電幾乎是完勝三星，與台積電擁有成熟的鰭式場效電晶體(FinFET)製程與專利密不可分，也使得台積電成為台灣少數具有國際競爭力的世界級高科技公司。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。
 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞