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1nm后的芯片，靠什么？

毫无疑问，下一代的CMOS逻辑将迈入1nm时代，在即将举行的IEDM上，有不少关于“下一代 CMOS”的著名讲座。因此，我们将它们分为“互补FET”、“2D材料”和“多层布线”子类别。

在本文中，按顺序进行介绍。将构成 CMOS 的两个 FET 堆叠起来，将硅面积减少一半第一个是“下一代 CMOS 逻辑”领域中的“互补 FET (CFET)”。CMOS逻辑（逻辑电路）由至少两个晶体管组成：一个n沟道MOS FET和一个p沟道MOS FET。晶体管数量最少的逻辑电路是反相器（逻辑反相电路），由1个n沟道MOS和1个p沟道MOS组成。换句话说，它需要相当于两个晶体管的硅面积。CFET 是这两种类型 MOSFET 的三维堆叠。理论上，可以使用一个 FET 占用的硅面积来创建 CMOS 逻辑。与传统CMOS相比，硅面积减半。但制造工艺相当复杂，挑战重重，打造难度较大。在IEDM 2023上，CFET研发取得了重大进展。台积电和英特尔均推出了单片堆叠下层 FET 和上层 FET 的 CMOS 电路。TSMC 演示了一个 CFET 原型，该原型将 n 沟道 FET 单片堆叠在 p 沟道 FET 之上。所有 FET 均具有纳米片结构。栅极间距为48nm。制造成品率达90%以上。目前的开/关比超过6位数。Intel 设计了一个 CFET 原型，将三个 n 沟道 FET 单片堆叠在三个 p 沟道 FET 之上 (29-2)。所有 FET 均具有纳米带结构（与纳米片结构基本相同的结构）。我们制作了栅极间距为 60nm 的 CMOS 反相器原型并确认了其运行。

采用二维材料制成GAA结构的纳米片通道 下一代 CMOS 逻辑晶体管的另一个有希望的候选者是通道是过渡金属二硫属化物 (TMD) 化合物的二维材料（单层和极薄材料）的晶体管。当 MOSFET 的沟道尺寸缩短时，“短沟道效应”成为一个主要问题，其中阈值电压降低且变化增加。减轻短沟道效应的一种方法是使沟道变薄。TMD很容易形成单分子层，原则上可以创建最薄的通道。TMD 沟道最初被认为是一种用于小型化传统平面 MOSFET 的技术（消除了对鳍结构的需要）。最近，选择TMD作为环栅（GAA）结构的沟道材料的研究变得活跃。候选通道材料包括二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）和二硒化钨（WSe2）。包括台积电等在内的联合研究小组开发了一种具有纳米片结构的n沟道FET，其中沟道材料被单层MoS2取代。栅极长度为40nm。阈值电压高，约为1V（常关操作），导通电流约为370μA/μm（Vds约为1.0V），电流开关比为10的8次方。imec 和 Intel 的联合研究团队使用二维沟道候选材料在 300mm 晶圆上制造了原型 n 沟道 MOS 和 p 沟道 MOS，并评估了它们的特性。候选材料有 MoS2、WS2 和 WSe2。MoS2单层膜适用于n沟道FET，WSe多层膜适用于p沟道FET。包括台积电等在内的联合研究小组开发出一种二维材料晶体管，其电流-电压特性与n沟道FET和p沟道FET相同。MoS2（一种 n 沟道材料）和 WSe2（一种 p 沟道材料）在蓝宝石晶圆上生长，并逐个芯片转移到硅晶圆上。此外，英特尔还原型制作了具有GAA结构的二维材料沟道FET，并在n沟道和p沟道上实现了相对较高的迁移率。

石墨烯、钌和钨将取代铜 (Cu) 互连 多层布线是支持CMOS逻辑扩展的重要基础技术。人们担心，当前流行的铜（Cu）多层互连的电阻率将由于小型化而迅速增加。因此，寻找金属来替代 Cu 的研究非常活跃。候选材料包括石墨烯、钌 (Ru) 和钨 (W)。台积电将宣布尝试使用石墨烯（一种片状碳同素异形体）进行多层布线。当我们制作不同宽度的互连原型并将其电阻与铜互连进行比较时，我们发现宽度为15 nm或更小的石墨烯互连的电阻率低于铜互连的电阻率。石墨烯的接触电阻率也比铜低四个数量级。将金属离子嵌入石墨烯中可以改善互连的电性能，使其成为下一代互连的有前途的材料。imec 制作了高深宽比 (AR) 为 6 至 8、节距为 18 nm 至 26 nm 的 Ru 两层精细互连原型，并评估了其特性。制造工艺为半镶嵌和全自对准过孔。在AR6中原型制作宽度为10 nm（对应间距18 nm至20 nm）的Ru线测得的电阻值低于AR2中模拟的Cu线的电阻值。应用材料公司开发了一种充分利用 W的低电阻互连架构。适用于2nm以上的技术节点。我们充分利用 W 衬垫、W 间隙填充和 W CMP（化学机械抛光）等基本技术。将存储器等元件纳入多层布线过程 一种有些不寻常的方法是研究多层互连过程（BEOL）中的存储器等构建元件。多层布线下面通常是 CMOS 逻辑电路。因此，理论上，BEOL 中内置的元件不会增加硅面积。它是提高存储密度和元件密度的一种手段。斯坦福大学和其他大学的联合研究小组将提出在多层逻辑布线工艺中嵌入氧化物半导体 (OS) 增益单元晶体管型存储元件的设计指南。操作系统选择了氧化铟锡 (ITO) FET。我们比较了 OS/Si 混合单元和 OS/OS 增益单元。

imec 开发了 MRAM 技术，可将自旋轨道扭矩 (SOT) 层和磁隧道结 (MTJ) 柱减小到大致相同的尺寸。它声称可以将功耗降低到传统技术的三分之一，将重写周期寿命延长10的15次方，并减少存储单元面积。

加州大学洛杉矶分校率先集成了压控 MRAM 和 CMOS 外围电路。MRAM的切换时间极短，为0.7ns（电压1.8V）。原型芯片的读取访问时间为 8.5ns，写入周期寿命为 10 的 11 次方。

将计算功能纳入传感器中

我还想关注“传感器内计算技术”，它将某种计算功能集成到传感器中。包括旺宏国际在内的联合研究小组将展示基于 3D 单片集成技术的智能图像传感器。使用 20nm 节点 FinFET 技术，将类似于 IGZO DRAM 的存储层单片层压在 CMOS 电路层的顶部，并在其顶部层压由二维材料 MoS2 制成的光电晶体管阵列层。光电晶体管阵列的布局为 5 x 5。

西安电子科技大学和西湖大学的联合研究小组设计了一种光电神经元，由一个光电晶体管和一个阈值开关组成，用于尖峰神经网络。对连续时间内的传感信号（光电转换信号）进行压缩编码。

在硅晶圆上集成 GaN 功率晶体管和 CMOS 驱动器

对于能带隙比 Si 更宽的化合物半导体器件（宽禁带器件），在 Si 晶圆上制造氮化镓 (GaN) 基 HEMT 的运动十分活跃。英特尔在 300mm 硅晶圆上集成了 GaN 功率晶体管和 CMOS 驱动器。CMOS驱动器是GaN增强型n沟道MOS HEMT和Si p沟道MOS FET的组合。用于GaN层的Si晶片使用面。对于 Si MOS FET，将另一个面的硅晶片粘合在一起，只留下薄层，用作沟道。

CEA Leti 开发了用于 Ka 波段功率放大器的 AlN/GaN/Si MIS-HEMT (38-3)。兼容200mm晶圆Si CMOS工艺。通过优化SiN栅极绝缘膜原型制作的HTMT的ft为81GHz，fmax为173GHz。28GHz 时的 PAE（功率负载效率）极高，达到 41%（电压 20V）。假设我们已经实现了与 GaN/SiC 器件相当的性能。

6400万像素、像素尺寸为0.5μm见方的小型CMOS图像传感器。

在图像传感器中，显着的成果包括像素数量的增加、像素尺寸的减小、噪声的减少以及自动对焦功能的进步。三星电子已试制出具有 6400 万像素、小像素尺寸为 0.5 μm 见方的高分辨率 CMOS 图像传感器。

使用铜电极混合键合堆叠三个硅晶片，并为每个像素连接一个光电二极管和后续电路。与传统型号相比，RTS（随机电报信号）噪声降低了 85%，FD（浮动扩散）转换增益提高了 67%。

OmniVision Technologies 开发了一款 HDR 全局快门 CMOS 图像传感器，其像素间距为 2.2μm。它是通过将两片硅片粘合在一起而制成的。FPN（固定模式噪声）为1.2e-（rms值），时间噪声为3.8e-（rms值）。

佳能已经推出了双像素交叉 CMOS 图像传感器原型，其中一对光电二极管以 90 度扭转排列。通过全方位相位差检测执行自动对焦 (AF)。AF 的最低照度低至 0.007 lux。

来源 | 半导体行业观察（ID：icbank）编译，作者：福田昭

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正弦空间电压矢量的磁链分析及其在软起动器中的实现

孟彦京，高泽宇，陈君

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021)

针对调压软起动器降低电流效果差且转矩不足，变频器昂贵且旁路困难等电机起动问题，打破直流供电局限，分析正弦供电下的空间电压矢量变频原理及磁链轨迹，将其应用于反并联晶闸管调压主电路，设计多级分频切换的软起动策略，研制了一种具有有级变频功能的正弦空间电压矢量软起动器。MATLAB系统仿真验证了其原理的正确性与方案的可行性，实验结果表明该软起动器可以起动带有额定负载的异步电机并且将起动电流限制在额定电流4倍以下。

正弦空间电压矢量；磁链轨迹；软起动策略；有级变频

交流异步电机构造简单、运行可靠，被广泛使用，占工业动力源的90％以上，但交流异步电机直接起动时电流大而转矩小，对电机自身和电网有不利的影响[1-2]。传统调压软起动能减少冲击电流，但不变频的情况下转矩与电压的平方成正比，因此这种起动方式转矩不足，难以起动重载或带大惯性负载电机[3-4]。此外，其不能改变定子磁场的转速，电机刚起动时，定转子转差很大，起动功率因数低。而变频器软起动又存在成本高且切换到工频后难以实现旁路的不足。

目前，探索如何以晶闸管调压电路为基础实现有级变频软起动成为解决上述问题的关键。文献[5-6]是国内外最早提出离散变频控制思想的文章，其分析和仿真了离散频率的产生和运行过程，提出正负序电压选择方法，但是这种软起动方式转矩脉动大[7-9]，有时无法起动电机也会因为谐波污染电网。专利[10]及文献[11]初次提出正弦空间电压矢量软起动方法，但其原理论述依然局限于直流供电下的空间电压矢量，没有交代清楚正弦空间电压矢量下的电机定子磁链形成轨迹，也没讨论起动电机动态过程和仿真验证。

本文具体分析交流供电下的空间电压矢量原理，绘制其磁链形成轨迹，并基于其原理设计多级分频切换的正弦空间电压矢量软起动器，有效减小起动电流。

1 正弦空间电压矢量原理

现有的空间电压矢量理论阐述的都是直流供电情况下的空间电压矢量，属于交直交变频。本次所阐述的是基于正弦供电的空间电压矢量理论，属于交交变频，其以定子磁链轨迹为被控对象，通过三相反并联晶闸管主回路直接在电网三相正弦电压供电的情况下，有选择地使某两相导通，形成一个交变的电压矢量。如图1所示，7个周期内顺序触发uAC、uBC、uBA、uCA、uCB、uAB六个电压矢量形成一个工频电网7分频下的类正六边形定子磁链。通过调整相邻矢量间隔时间，改变频率，形成其他分频下的类正六边形定子磁链。通过调整开通的触发角改变六个电压矢量的幅值进而改变磁链幅值。这样把类正六边形磁链轨迹旋转频率与触发角相应结合进行磁链控制，将其应用于异步电机软起动，实现有级变频软起动，有效提升转矩。

2 正弦空间电压矢量磁链计算方法

结合文献[11-12]，按照上述控制方式，通过仿真和实验得出三相异步电动机可以在电网工频7、4、3、2分频(7.14 Hz、12.5 Hz、16.7 Hz、25 Hz)下稳定运行。以7分频控制下的定子磁链形成过程为例阐述基于正弦供电的空间电压矢量的磁链计算方法并且根据磁链瞬时值数学函数来绘制工作于正弦空间电压矢量下的电机定子磁链轨迹。

空间电压矢量的计算公式为：

式中是各相的导通状态量，当该相反并联的晶闸管任意一个被触发时其值为1，全未被触发其值为0。uA，uB，uC为三个相电压的瞬时值：

当A相正方向的晶闸管和C相反方向的晶闸管被触发时，形成电压矢量uAC，dA=1，dB=0，dC=1，此时由式(1)推得电压矢量uAC瞬时公式：

同理推得其他电压矢量瞬时值公式：

对电压矢量积分可以得到磁链变化量，将电压矢量uAC带入式：

并且将对时间的积分转化为相对于相电压uA的角度积分，可以得到电压矢量uAC形成的磁链变化量瞬时值计算函数：

同理推得其他电压矢量形成的磁链变化量瞬时值计算函数：

式中为触发角。在MATLAB编写上文推导的磁链瞬时变化量函数。考虑磁链的累积，即，绘制基于正弦供电的空间电压矢量磁链轨迹如图2所示。

图2中实线为正弦空间电压矢量的磁链轨迹，虚线为直流供电空间电压矢量的磁链轨迹。通过分析对比可以总结：直流供电的空间电压矢量的磁链轨迹是正六边形，而正弦空间电压矢量将其每条边变为了椭圆曲线的一部分，所以基于正弦供电的空间电压矢量的磁链轨迹比直流供电的空间电压矢量磁链轨迹更接近圆形。

3 系统设计

正弦空间电压矢量软起动器的控制系统整体框图如图3所示。主要由三相反并联晶闸管主电路、电压检测、电流检测、触发电路、微处理器（STM32）等部分组成。STM32通过电压检测电路采集电压，对三相电压进行缺相检测和相序检测，同时对起动时间进行计数，其根据软起动模式、分频级数以及触发角等参数，对电压信号处理，按照原理中阐述的控制方法选择正确的时刻给相应的晶闸管发出触发信号，触发信号经过触发电路后触发晶闸管导通，实现正弦空间电压矢量软起动。起动完成后，通过旁路接触器将空间电压矢量软起动器旁路，电机开始全压运行。

4 多级分频起动策略

感应电机在7.14 Hz下能稳定运行，如果直接切换到电网工频50 Hz，由于频率的过渡太大，会产生短暂电流上升和转矩下降。可以在7.14 Hz切换到工频电网时适当降低电压，然后使用斜坡升压的方法把电机电压提升到额定电压，这样在空载或轻载下足以完成频率的切换，但是重载或满载时，电流显著增大，转矩下降明显，甚至转速会下降到接近于0，再斜坡升压时已相当于零速开始调压调速起动，达不到提升起动转矩的目的。在7.14 Hz到50 Hz间插入一些中间频率段，比如12.5 Hz、16.7 Hz、25 Hz，可使各频率段之间平稳切换。再根据实际负载情况在切换到工频时适当加入一段调压以实现电机切换时降低起动电流。通过实验验证，空间电压矢量控制下分频系数为1、3、4、7时所得到的是正相序电压，电机可以良好运行，可以通过这些分频下电压矢量的平移与合并实现变频。2分频属于负序电压只用作过渡频率运行1到2个周期。只要各频率段过渡过程触发角选择合适就可以实现电机启动时频率的无扰动切换，其各分频导通电压波形如图4所示。

5 系统仿真及实验结果

5.1 系统仿真

根据以上对正弦空间电压矢量软起动器的原理、方案、控制策略的分析，在MATLAB/Simulink中搭建模型，对整个系统进行仿真，仿真模型如图5所示，模型中使用的电机参数为：PN=30 kW、UN=380 V、RN=1 460 r/min。

仿真模型中频率切换控制、触发角调整和晶闸管选择都是通过编写function函数实现的，整个软起动过程包含了4个频段的切换，分别为7.14 Hz、12.5 Hz、16.7 Hz、50 Hz。各频段运行时间和触发角变化范围如表1所示。

仿真结果如图6所示，图6(a)为正弦空间电压矢量控制下的有级变频软起动仿真结果，电机带50%负载，在其转速波形中电机从零转速起在7.14 Hz空间电压矢量控制下起动，转速平稳在nN/7后，在0.18 s切换到12.5 Hz，转速升至nN/4后，在0.34 s切换到16.7 Hz，转速升至nN/3后，在0.46 s通过调压方式过渡到工频，此阶段触发角在0.48 s的时间内从65°减小至0°完成起动。从整个过程观察，各个频段稳定运行，切换瞬间转速过渡平滑，实现无扰切换的有级变频软起动。通过电流波形看到正弦空间电压矢量软起动整个过程峰值电流是7.14 Hz处的398 A，有效值最大时为239 A。图6(b)为无空间电压矢量的直接调压软起动下的软起动仿真结果，电机带50%负载，调压过程同样为触发角在0.48 s内从65°减小至0°，其电流峰值为503 A，有效值最大时为328 A。通过对比可以观察到空间电压矢量软起动将起动电流峰值降低了105 A，有效值电流降低了89 A。

5.2 实验测试

搭建STM32为核心控制器、三相反并联晶闸管为主回路的电机软起动硬件平台，将正弦供电的空间电压矢量原理和有级变频的起动策略应用于软起动器，实际运行，测试数据。实验所用电机额定功率22 kW，额定电流42.5 A，磁粉制动器作为可调负载。7.14 Hz、12.5 Hz、16.7 Hz、50 Hz频段下的实际电压波形如图7所示。其各自包络线所形成的正弦波形周期都是与各自分频相对应的。

实验数据如表2所示，从实验数据可以看出，电机空载到满载的各种负载情况，正弦空间电压矢量软起动器都可以成功地将其起动，满载的情况下其起动电流仅为额定电流的3.46倍。而直接起动时，即使电机空载，其起动电流也会达到额定电流的5~8倍，由此证明这种通过有级变频起动电机的正弦空间电压矢量软起动器可以很好地降低起动电流。

6 结束语

本文分析了利用正弦空间电压矢量实现交交变频的基本原理，通过正弦电压矢量积分的计算方法推导出交流供电下的空间电压矢量的磁链瞬时值函数，绘制了忽略定转子耦合与磁链衰减的理想磁链轨迹。通过与直流供电的空间电压矢量形成的理想正六边形磁链轨迹对比，发现其将正六边形的六条边椭圆化，更加接近圆形磁场。此外将此原理应用于反并联晶闸管为主回路的异步电机软起动器中，制定整体方案，使用多级分频切换的变频软起动策略，设计正弦空间电压矢量软起动器。通过系统仿真验证方案可行性，通过实验测试验证了正弦空间电压矢量软起动器可以成功起动电机，将起动电流限制在额定电流的4倍以下，有效降低起动电流，具有一定的意义和推广价值。

参考文献

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[11] 孟彦京，张陈斌，陈君，等．一种基于正弦波电压空间矢量的新型软起动器[J]．电力电子技术，2014，48(7)：28-35．

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