文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文主要講述芯片制造的鑰匙：功函數(shù)。

在我們手中的智能手機(jī)和電腦核心，躺著一塊精密的芯片。芯片的核心，是數(shù)十億個(gè)名為“晶體管”的微觀開關(guān)。這些開關(guān)的快速開合，編織出了我們所有的數(shù)字世界。而控制每一個(gè)開關(guān)靈敏度的關(guān)鍵，就與一個(gè)叫做“功函數(shù)”的物理量息息相關(guān)。

功函數(shù)是什么？

讓我們忘掉復(fù)雜的公式，想象一個(gè)生動(dòng)的場景：你手里拿著一個(gè)球，站在一個(gè)坑里。功函數(shù)，就是你需要花費(fèi)多少力氣，才能把這個(gè)球從坑里完全扔到外面的平地上。

在物理學(xué)中，這個(gè)“球”就是電子，而“坑”就是構(gòu)成芯片的材料。更準(zhǔn)確地說：功函數(shù)，是指一個(gè)電子從材料內(nèi)部“逃脫”出來，所需要的最小能量。

高功函數(shù)意味著電子被牢牢“鎖住”，很難被拉出來，如同一個(gè)很深的坑。低功函數(shù)則意味著電子“活潑好動(dòng)”，很容易被吸引或發(fā)射出去，如同一個(gè)很淺的坑。每一種材料都有其固有的功函數(shù)，這是它的本質(zhì)屬性。

功函數(shù)在芯片中的核心作用

功函數(shù)最重要的舞臺(tái)，是在芯片最基本的構(gòu)建單元——晶體管中。它在這里扮演著“電壓閾值守門人”的角色。

一個(gè)晶體管就像一扇水閘門，控制著電流（水流）的通斷。柵極是控制閘門開關(guān)的轉(zhuǎn)輪，而閾值電壓就是閘門剛好開始打開的那個(gè)臨界點(diǎn)。

在現(xiàn)代芯片中，晶體管的“柵極”是由具有特定功函數(shù)的材料制成的。柵電極材料的功函數(shù)，直接決定了你需要施加多少電壓（即閾值電壓）來開啟晶體管。

需要高速運(yùn)算的低功耗核心晶體管，我們希望它一碰就開，如同靈敏的彈簧門。這時(shí)，工程師會(huì)選擇功函數(shù)較低的柵極材料，從而獲得較低的開啟動(dòng)電壓。

需要用于記憶存儲(chǔ)或待機(jī)電路的晶體管，我們希望它緊閉不漏電，如同沉重的水密門。這時(shí)，工程師則會(huì)選擇功函數(shù)較高的材料，確保晶體管擁有較高的開啟電壓，防止誤開和能量泄漏。

在一個(gè)芯片上，工程師會(huì)像指揮交響樂一樣，為不同職責(zé)的晶體管“定制”不同的柵極功函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)性能與功耗的完美平衡。功函數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，是現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)的核心魔法。

如何調(diào)整功函數(shù)

既然功函數(shù)如此重要，我們能否改變它呢？答案是肯定的。在納米尺度的芯片制造中，工程師如同“材料煉金術(shù)士”，通過幾種精妙的方法微調(diào)功函數(shù)。

選擇不同材質(zhì)是最直接的方法。不同的金屬和金屬化合物天生具有不同的功函數(shù)。例如，氮化鈦、鉭氮化物等是常見的高功函數(shù)材料，而鋁等則是典型的低功函數(shù)材料。

摻雜的藝術(shù)，如同在烹飪中加入調(diào)味料。在柵極材料中引入微量的其他元素，能改變其電子結(jié)構(gòu)，從而改變功函數(shù)。例如，在氮化鈦中摻入鋁，可以有效地降低其功函數(shù)。

界面層則更為精妙。當(dāng)兩種不同的材料原子級(jí)地堆疊在一起時(shí)，界面處會(huì)發(fā)生電荷重排，形成所謂的“界面偶極”。這層無形的“魔法層”能夠像杠桿一樣，撬動(dòng)整個(gè)柵極結(jié)構(gòu)的有效功函數(shù)。工程師通過設(shè)計(jì)僅有幾層原子厚的超薄材料疊層，就能精確“調(diào)諧”出所需的功函數(shù)值。