Resumo: terceiro post da aba CI. Depois de girar o layout da NAND3 e do inversor, fui atrás da pergunta que vem antes de tudo isso: por que o transistor virou 3D. A resposta não é “porque é mais moderno”, é largura de canal e controle de porta. Montei os três modelos lado a lado pra enxergar a diferença de quantas faces do canal a porta consegue comandar.

A pergunta

Por que o desempenho dos transistores tridimensionais é maior do que os planares?

Transistor plano e transistor 3D conduzem do mesmo jeito: uma porta puxa cargas pra superfície do canal e forma uma corrente entre fonte e dreno. O que muda é quanta superfície de canal a porta controla com o mesmo pedaço de silício. Duas coisas saem desse ganho:

  • largura efetiva de canal (W_eff): cada face controlada conta como canal. Com a mesma área de layout, o 3D liga mais corrente.
  • controle eletrostático: a porta fica envolvendo o canal, então o campo dela vence o campo do dreno. Isso corta os efeitos de canal curto, reduz a fuga no estado desligado e deixa a curva de sublimiar mais perto do ideal (60 mV/dec). Com menos fuga dá pra baixar o Vth e o Vdd, ganhando velocidade.

As três gerações

Corte transversal: no planar a porta controla 1 face, no FinFET 3 faces e no GAA as 4 faces do nanosheet. planar 1 face W_eff = W FinFET (tri-gate) 3 faces W_eff = 2·H_fin + W_fin GAA (nanosheet) 4 faces W_eff = 2·(W_sheet + T_sheet)

Da esquerda pra direita: no planar a porta é uma barra deitada em cima do canal e só a face de cima conduz. No FinFET o canal virou um fin em pé e a porta desce pelos dois lados, então três faces conduzem. No GAA o canal é um nanosheet deitado e a porta fecha em volta; as quatro faces conduzem, e ainda dá pra empilhar vários sheets na vertical para multiplicar a corrente sem crescer o layout.

O modelo pra girar

O Vgs liga o canal, o Vds empurra as cargas, e os botões trocam a vista. Em Corte do canal o GAA é cortado ao meio pra mostrar a porta abraçando cada sheet.

Vgs Vds

Silício (substrato, fin, sheet) Porta Canal ligado Elétron (corrente)

O que o GAA muda

O FinFET foi o 3D de primeira geração: ele já envolve o canal por três lados, mas a quarta face continua presa ao substrato. O GAA fecha esse lado que faltava e libera o canal, deixando a porta mandar nas quatro faces. Na prática isso quer dizer:

  • mais largura por sheet: os dois lados mais o topo e a base contam.
  • empilhamento: em vez de um fin largo, o GAA usa vários sheets finos empilhados, então a corrente escala empilhando altura em vez de largura.
  • controle melhor ainda: a porta vence o dreno em canais cada vez mais curtos, que é o que segura a fuga conforme o nó encolhe.

É por isso que o roadmap saiu de planar, passou por FinFET e chegou no nanosheet GAA. A corrente não vem de um truque de material, vem de dar à porta mais superfície do canal para comandar.