第11週 アニメ図解①　スケーリング則と短チャネル効果

なぜトランジスタを小さくしたいのか（スケーリング則）／小さくすると何が困るのか（短チャネル効果・リーク）

寸法を 1/k にすると、同じ面積に k² 個のトランジスタが入る

スライダーを動かすと、トランジスタ1個が縮み、空いた場所に同じ大きさのチップへどんどん詰め込まれます。
「小さくする＝同じ面積にたくさん載る＝1個あたりが安い・配線が短くて速い・電圧も下げられて省電力」——これがチップを縮め続ける動機です。

1.0

左＝トランジスタ1個（k倍に縮む）／右＝同じ大きさのチップ（k×k 個に詰まる）

縮小率 k1.0
1個の面積1.00
同じ面積に入る数1 個
面積は 1/k² になります（タテもヨコも 1/k だから）。だから同じ面積には k² 個が入る。
k=1.4（約√2）でちょうど2倍。「約2年でトランジスタ数が2倍」というムーアの法則は、2年ごとに寸法を√2ずつ縮めてきた、と読み替えられます。
ここがうれしい：たくさん載る→1個あたり安い／配線が短い→速い／電圧も下げられる→省電力。3拍子そろうから、みんな小さくしたがるのです。

小さくしすぎると、ゲートがチャネルを支配しきれなくなる

第8〜10週で「ゲートがチャネルを作る・止める」を学びました。ところがチャネルを短くすると、両どなりのソース／ドレインの電界がチャネルの真ん中まで入り込み、ゲートの言うことを聞かない領域ができます。すると OFF にしたいのに電流がじわっと漏れる＝リーク。第10週で学んだ「リーク＝省電力の敵」が、ここで効いてきます。

長い（昔のMOS）

スライダーを右へ＝チャネルを短くする。ソース／ドレインの支配（赤）がチャネル中央へ侵入していく様子

チャネル長長い
ゲートの支配チャネル全体
OFF時のリークほぼゼロ
長いチャネルでは、チャネルの上にいるゲートが端から端まで全体を支配でき、OFFと言えばちゃんと止まります。
短くすると、ソースとドレインの電界（赤）がチャネル中央まで侵入。ゲートの支配（紫）が押しのけられ、OFFにしても電流が漏れる＝リーク。
この「ドレインの電界がチャネルに入り込んで壁を下げてしまう」現象が、最先端で平面MOSが行き詰まった正体です。→ 解決策が「ゲートで何面から囲むか」を増やす立体構造（図解②へ）。