BJT፣ CMOS፣ DMOS እና ሌሎች የሴሚኮንዳክተር ሂደት ቴክኖሎጂዎች

ለምርት መረጃ እና ምክክር ወደ ድህረ ገጻችን እንኳን በደህና መጡ።

ድህረ ገጻችን፦https://www.vet-china.com/

 

የሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ሂደቶች አዳዲስ ግኝቶችን እያሳደጉ ሲሄዱ፣ "የሙር ህግ" የሚባል ታዋቂ መግለጫ በኢንዱስትሪው ውስጥ እየተሰራጨ ነው። ይህ ሀሳብ የቀረበው በ1965 የኢንቴል መስራቾች አንዱ በሆነው ጎርደን ሙር ነው። ዋናው ይዘቱ የሚከተለው ነው፡ በተቀናጀ ዑደት ላይ ሊስተናገዱ የሚችሉ ትራንዚስተሮች ብዛት በየ18 እስከ 24 ወሩ በእጥፍ ይጨምራል። ይህ ህግ የኢንዱስትሪውን የእድገት አዝማሚያ ትንተና እና ትንበያ ብቻ ሳይሆን የሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ሂደቶችን ለማዳበር የሚያነሳሳ ኃይልም ነው - ሁሉም ነገር አነስተኛ መጠን ያላቸው እና የተረጋጋ አፈጻጸም ያላቸውን ትራንዚስተሮች መፍጠር ነው። ከ1950ዎቹ እስከ አሁን ድረስ፣ ወደ 70 ዓመታት ገደማ፣ በአጠቃላይ BJT፣ MOSFET፣ CMOS፣ DMOS እና hybrid BiCMOS እና BCD የሂደት ቴክኖሎጂዎች ተዘጋጅተዋል።

 

1. ቢጄቲ

ባይፖላር መጋጠሚያ ትራንዚስተር (BJT)፣ በተለምዶ ትራይዶድ በመባል ይታወቃል። በትራንዚስተሩ ውስጥ ያለው የኃይል መሙያ ፍሰት በዋናነት በፒኤን መጋጠሚያ ላይ ባሉ ተሸካሚዎች ስርጭት እና የመንሸራተት እንቅስቃሴ ምክንያት ነው። የኤሌክትሮኖችንም ሆነ የቀዳዳዎችን ፍሰት ስለሚያካትት፣ ባይፖላር መሳሪያ ይባላል።

የትውልድ ታሪኩን ወደኋላ መለስ ብለን ስንመለከት። የቫክዩም ትሪዮዶችን በጠንካራ ማጉያዎች የመተካት ሀሳብ ስላለ፣ ሾክሌይ በ1945 የበጋ ወቅት በሴሚኮንዳክተሮች ላይ መሰረታዊ ምርምር ለማድረግ ሀሳብ አቀረበ። በ1945 ሁለተኛ አጋማሽ ላይ ቤል ላብስ በሾክሌይ የሚመራ ጠንካራ ግዛት የፊዚክስ ምርምር ቡድን አቋቋመ። በዚህ ቡድን ውስጥ የፊዚክስ ሊቃውንት ብቻ ሳይሆኑ የወረዳ መሐንዲሶች እና ኬሚስቶችም አሉ፣ ከእነዚህም መካከል የቲዎሬቲካል ፊዚክስ ባለሙያው ባርዲን እና የሙከራ ፊዚክስ ባለሙያው ብራቴን ይገኙበታል። በታህሳስ 1947፣ በኋለኞቹ ትውልዶች እንደ አዲስ ምዕራፍ ተደርጎ የሚቆጠር ክስተት በአስደናቂ ሁኔታ ተከሰተ - ባርዲን እና ብራቴን በዓለም ላይ የመጀመሪያውን የጀርማኒየም ነጥብ-ኮንታክት ትራንዚስተርን አሁን ካለው ማጉያ ጋር በተሳካ ሁኔታ ፈጠሩ።

የባርዲን እና የብራቴን የመጀመሪያ ነጥብ-ግንኙነት ትራንዚስተር

ብዙም ሳይቆይ ሾክሌይ በ1948 የባይፖላር መጋጠሚያ ትራንዚስተርን ፈለሰፈ። ትራንዚስተሩ ሁለት pn መጋጠሚያዎችን፣ አንዱ ወደፊት አድሎአዊ እና ሌላኛው ደግሞ ተገላቢጦሽ አድሎአዊ ሊሆን እንደሚችል ሀሳብ አቅርቦ በሰኔ 1948 የፈጠራ ባለቤትነት አግኝቷል። በ1949 የመጋጠሚያ ትራንዚስተሩን አሠራር ዝርዝር ንድፈ ሐሳብ አሳትሟል። ከሁለት ዓመታት በላይ በኋላ፣ በቤል ላብስ የሚገኙ ሳይንቲስቶች እና መሐንዲሶች የመጋጠሚያ ትራንዚስተሮችን በብዛት ለማምረት የሚያስችል ሂደት አዘጋጅተዋል (በ1951 የተመዘገበው ወሳኝ ምዕራፍ)፣ ይህም የኤሌክትሮኒክስ ቴክኖሎጂ አዲስ ዘመን ከፍቷል። ለትራንዚስተሮች ፈጠራ ላበረከቱት አስተዋጽኦ እውቅና ለመስጠት፣ ሾክሌይ፣ ባርዲን እና ብራቴን በ1956 የፊዚክስ የኖቤል ሽልማትን በጋራ አሸንፈዋል።

የ NPN ባይፖላር መጋጠሚያ ትራንዚስተር ቀላል መዋቅራዊ ንድፍ

የባይፖላር መጋጠሚያ ትራንዚስተሮችን አወቃቀር በተመለከተ፣ የተለመዱ BJTዎች NPN እና PNP ናቸው። ዝርዝር ውስጣዊ መዋቅር ከታች ባለው ምስል ላይ ይታያል። ከአመንጪው ጋር የሚዛመደው የርኩሰት ሴሚኮንዳክተር ክልል ከፍተኛ የዱፒንግ ክምችት ያለው የኤሚተር ክልል ነው፤ ከመሠረቱ ጋር የሚዛመደው የርኩሰት ሴሚኮንዳክተር ክልል በጣም ቀጭን ስፋት እና በጣም ዝቅተኛ የዶፒንግ ክምችት ያለው የመሠረት ክልል ነው፤ ከሰብሳቢው ጋር የሚዛመደው የርኩሰት ሴሚኮንዳክተር ክልል ትልቅ ቦታ እና በጣም ዝቅተኛ የዶፒንግ ክምችት ያለው የሰብሳቢ ክልል ነው።

የቢጄቲ ቴክኖሎጂ ጥቅሞች ከፍተኛ የምላሽ ፍጥነት፣ ከፍተኛ ትራንስኮንዳክሽን (የግብዓት ቮልቴጅ ለውጦች ከትላልቅ የውጤት ጅረት ለውጦች ጋር ይዛመዳሉ)፣ ዝቅተኛ ድምጽ፣ ከፍተኛ የአናሎግ ትክክለኛነት እና ጠንካራ የጅረት መንዳት ችሎታ ናቸው፤ ጉዳቶቹ ዝቅተኛ ውህደት (ቀጥ ያለ ጥልቀት በጎን መጠን መቀነስ አይቻልም) እና ከፍተኛ የኃይል ፍጆታ ናቸው።

 

2. ሞስ

የብረታ ብረት ኦክሳይድ ሴሚኮንዳክተር የመስክ ተፅዕኖ ትራንዚስተር (ሜታል ኦክሳይድ ሴሚኮንዳክተር FET)፣ ማለትም የሴሚኮንዳክተር (S) ኮንዳክቲቭ ቻናል መቀያየሪያን የሚቆጣጠር የመስክ ተፅዕኖ ትራንዚስተር ሲሆን ይህም በብረት ንብርብር በር (M-ሜታል አሉሚኒየም) በር ላይ ቮልቴጅን በመተግበር እና ምንጩን በኦክሳይድ ንብርብር (O-ኢንሱሌሽን ንብርብር SiO2) በኩል በመተግበር የኤሌክትሪክ መስክ ውጤትን ይፈጥራል። በሩ እና ምንጩ፣ እና በሩ እና ፍሳሽ በSiO2 ኢንሱሌሽን ንብርብር ስለሚለዩ፣ MOSFET እንዲሁ ኢንሱሌሽን የተደረገ የበር መስክ ተፅዕኖ ትራንዚስተር ተብሎ ይጠራል። እ.ኤ.አ. በ1962 ቤል ላብስ በተሳካ ሁኔታ ልማት በይፋ አስታውቋል፣ ይህም በሴሚኮንዳክተር ልማት ታሪክ ውስጥ ካሉት በጣም አስፈላጊ ክስተቶች አንዱ የሆነው እና በቀጥታ ለሴሚኮንዳክተር ማህደረ ትውስታ መምጣት የቴክኒክ መሰረት ጥሏል።

MOSFET እንደ ኮንዳክቲቭ ቻናል አይነት በP ቻናል እና N ቻናል ሊከፈል ይችላል። እንደ ጌት ቮልቴጅ ስፋት፣ በሚከተለው ሊከፈል ይችላል፡ የመሟሟት አይነት - የጌት ቮልቴጅ ዜሮ ሲሆን፣ በፍሳሽ ማስወገጃው እና በምንጩ መካከል ኮንዳክቲቭ ቻናል አለ፤ የማሻሻያ አይነት - ለN (P) ቻናል መሳሪያዎች፣ የኮንዳክቲቭ ቻናል የሚኖረው የጌት ቮልቴጅ ከዜሮ (ከዜሮ) ሲበልጥ ብቻ ሲሆን እና ኃይል MOSFET በዋናነት የN ቻናል ማሻሻያ አይነት ነው።

በMOS እና በትራይዶድ መካከል ያሉት ዋና ዋና ልዩነቶች የሚከተሉትን ነጥቦች ያካትታሉ ነገር ግን በእነዚህ ብቻ የተወሰኑ አይደሉም፡

- ትራይዮድስ ባይፖላር መሳሪያዎች ናቸው ምክንያቱም ሁለቱም አብላጫም አናሳ ተሸካሚዎች በተመሳሳይ ጊዜ በኮንዳክሽን ውስጥ ስለሚሳተፉ፤ MOS ደግሞ በሴሚኮንዳክተሮች ውስጥ በብዙሃኑ ተሸካሚዎች በኩል ኤሌክትሪክ የሚያንቀሳቅሰው ሲሆን ዩኒፖላር ትራንዚስተርም ይባላል።
-ትሪዮዶች በአንፃራዊነት ከፍተኛ የኃይል ፍጆታ ያላቸው በአሁኑ ጊዜ የሚቆጣጠሩ መሳሪያዎች ሲሆኑ፤ MOSFETዎች ደግሞ ዝቅተኛ የኃይል ፍጆታ ያላቸው በቮልቴጅ የሚቆጣጠሩ መሳሪያዎች ናቸው።
- ትሪዮዶች ከፍተኛ የሆነ የመቋቋም አቅም አላቸው፣ የኤምኦኤስ ቱቦዎች ደግሞ ጥቂት መቶ ሚሊዮህም ብቻ ያላቸው አነስተኛ የመቋቋም አቅም አላቸው። በአሁኑ የኤሌክትሪክ መሳሪያዎች ውስጥ የኤምኦኤስ ቱቦዎች በአጠቃላይ እንደ ማብሪያና ማጥፊያዎች ጥቅም ላይ ይውላሉ፣ በዋናነት የኤምኦኤስ ውጤታማነት ከትሪዮዶች ጋር ሲነጻጸር ከፍተኛ ስለሆነ።
- ትሪዮዶች በአንጻራዊ ሁኔታ ጠቃሚ ዋጋ አላቸው፣ እና የኤምኦኤስ ቱቦዎች በአንጻራዊ ሁኔታ ውድ ናቸው።
-በአሁኑ ጊዜ፣ የMOS ቱቦዎች በአብዛኛዎቹ ሁኔታዎች ትሪዮዶችን ለመተካት ያገለግላሉ። በአንዳንድ ዝቅተኛ ኃይል ባላቸው ወይም ኃይልን በማይነኩ ሁኔታዎች ውስጥ ብቻ የዋጋ ጥቅሙን ከግምት ውስጥ በማስገባት ትሪዮዶችን እንጠቀማለን።

3. ሲኤምኦኤስ

ተጨማሪ የብረት ኦክሳይድ ሴሚኮንዳክተር፡- የCMOS ቴክኖሎጂ የኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎችን እና የሎጂክ ሰርክቶችን ለመገንባት ተጨማሪ የp-type እና n-type metal oxide semiconductor ትራንዚስተሮችን (MOSFETs) ይጠቀማል። የሚከተለው ምስል ለ "1→0" ወይም "0→1" ልወጣ የሚያገለግል የተለመደ የCMOS ኢንቨርተር ያሳያል።

የሚከተለው ምስል የተለመደ የCMOS መስቀለኛ ክፍል ነው። የግራ በኩል NMS ሲሆን የቀኝ በኩል ደግሞ PMOS ነው። የሁለቱ MOS G ምሰሶዎች እንደ የጋራ የበር ግብዓት አንድ ላይ ተያይዘዋል፣ የD ምሰሶዎች ደግሞ እንደ የጋራ የፍሳሽ ማስወገጃ ውጤት አንድ ላይ ተያይዘዋል። VDD ከ PMOS ምንጭ ጋር የተገናኘ ሲሆን VSS ደግሞ ከ NMOS ምንጭ ጋር የተገናኘ ነው።

በ1963 የፌርቻይልድ ሴሚኮንዳክተር የሆኑት ዋንላስ እና ሳህ የCMOS ሰርኩዊትን ፈጠሩ። በ1968 የአሜሪካ ሬዲዮ ኮርፖሬሽን (RCA) የመጀመሪያውን የCMOS የተቀናጀ ሰርኩዊት ምርት ፈጠረ፣ እና ከዚያን ጊዜ ጀምሮ የCMOS ሰርኩዊት ትልቅ እድገት አስመዝግቧል። ጥቅሞቹ ዝቅተኛ የኃይል ፍጆታ እና ከፍተኛ ውህደት ናቸው (STI/LOCOS ሂደት ውህደትን የበለጠ ሊያሻሽል ይችላል)፤ ጉዳቱ የመቆለፊያ ውጤት መኖር ነው (የPN መጋጠሚያ ተገላቢጦሽ አድልዎ በMOS ቱቦዎች መካከል እንደ ማግለል ጥቅም ላይ ይውላል፣ እና ጣልቃ ገብነት በቀላሉ የተሻሻለ ዑደት ሊፈጥር እና ሰርኩዩቱን ሊያቃጥል ይችላል)።

 

4. ዲኤምኦኤስ

ድርብ-የተበታተነ የብረት ኦክሳይድ ሴሚኮንዳክተር፡- ልክ እንደ ተራ የMOSFET መሳሪያዎች አወቃቀር፣ ምንጭ፣ ፍሳሽ፣ በር እና ሌሎች ኤሌክትሮዶች አሉት፣ ነገር ግን የፍሳሽ ማስወገጃው ጫፍ የመበላሸት ቮልቴጅ ከፍተኛ ነው። ድርብ ስርጭት ሂደት ጥቅም ላይ ይውላል።

ከታች ያለው ምስል የመደበኛ N-ቻናል DMOS መስቀለኛ ክፍልን ያሳያል። ይህ ዓይነቱ DMOS መሳሪያ ብዙውን ጊዜ በዝቅተኛ ጎን መቀየሪያ አፕሊኬሽኖች ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላል፣ የMOSFET ምንጭ ከመሬት ጋር የተገናኘ ነው። በተጨማሪም፣ የP-ቻናል DMOS አለ። ይህ ዓይነቱ DMOS መሳሪያ ብዙውን ጊዜ በከፍተኛ ጎን መቀየሪያ አፕሊኬሽኖች ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላል፣ የMOSFET ምንጭ ከአዎንታዊ ቮልቴጅ ጋር የተገናኘ ነው። ከCMOS ጋር ተመሳሳይ፣ ተጓዳኝ DMOS መሳሪያዎች በተመሳሳይ ቺፕ ላይ N-ቻናል እና P-ቻናል MOSFETs ይጠቀማሉ።

እንደ ቻናሉ አቅጣጫ፣ DMOS በሁለት ዓይነቶች ሊከፈል ይችላል፣ እነሱም ቀጥ ያለ ድርብ-የተበታተነ የብረት ኦክሳይድ ሴሚኮንዳክተር የመስክ ውጤት ትራንዚስተር VDMOS (ቀጥ ያለ ድርብ-የተበታተነ MOSFET) እና ላተራል ድርብ-የተበታተነ የብረት ኦክሳይድ ሴሚኮንዳክተር የመስክ ውጤት ትራንዚስተር LDMOS (ላተራል ድርብ-የተበታተነ MOSFET) ናቸው።

የVDMOS መሳሪያዎች በአቀባዊ ቻናል የተነደፉ ናቸው። ከጎን DMOS መሳሪያዎች ጋር ሲነፃፀሩ ከፍተኛ የብልሽት ቮልቴጅ እና የአሁን አያያዝ ችሎታዎች አሏቸው፣ ነገር ግን የመቋቋም አቅሙ አሁንም በአንጻራዊነት ትልቅ ነው።

የኤልዲኤምኦኤስ መሳሪያዎች በጎን ቻናል የተነደፉ ሲሆኑ ያልተመጣጠነ ኃይል ያላቸው የኤምኤስኤፍኢቲ መሳሪያዎች ናቸው። ከአቀባዊ የዲኤምኦኤስ መሳሪያዎች ጋር ሲነፃፀሩ ዝቅተኛ የመቋቋም አቅም እና ፈጣን የመቀየሪያ ፍጥነትን ይፈቅዳሉ።

ከባህላዊ MOSFETs ጋር ሲነጻጸር፣ DMOS ከፍተኛ የመብራት አቅም እና ዝቅተኛ የመቋቋም አቅም ስላለው እንደ የኃይል ማብሪያ / ማጥፊያዎች፣ የኃይል መሳሪያዎች እና የኤሌክትሪክ ተሽከርካሪ ድራይቮች ባሉ ከፍተኛ ኃይል ባላቸው የኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎች ውስጥ በስፋት ጥቅም ላይ ይውላል።

 

5. ቢሲኤምኦኤስ

ባይፖላር ሲኤምኦኤስ (Bipolar CMOS) በአንድ ጊዜ በተመሳሳይ ቺፕ ላይ CMOS እና ባይፖላር መሳሪያዎችን የሚያዋህድ ቴክኖሎጂ ነው። መሰረታዊ ሀሳቡ የCMOS መሳሪያዎችን እንደ ዋና አሃድ ዑደት መጠቀም እና ትላልቅ የካፓሲቲቭ ጭነቶች እንዲነዱ የሚፈለጉባቸውን ባይፖላር መሳሪያዎችን ወይም ወረዳዎችን ማከል ነው። ስለዚህ፣ የBiCMOS ወረዳዎች የCMOS ወረዳዎች ከፍተኛ ውህደት እና ዝቅተኛ የኃይል ፍጆታ ጥቅሞች እንዲሁም የBJT ወረዳዎች ከፍተኛ ፍጥነት እና ጠንካራ የአሁኑ የመንዳት ችሎታዎች ጥቅሞች አሏቸው።

የSTMicroelectronics BiCMOS SiGe (ሲሊከን ጀርማኒየም) ቴክኖሎጂ በአንድ ቺፕ ላይ የRF፣ የአናሎግ እና የዲጂታል ክፍሎችን ያዋህዳል፣ ይህም የውጪ ክፍሎችን ብዛት በእጅጉ ሊቀንስ እና የኃይል ፍጆታን ሊያሻሽል ይችላል።

 

6. ቢሲዲ

ባይፖላር-ሲኤምኦኤስ-ዲኤምኦኤስ፣ ይህ ቴክኖሎጂ ቢሲዲ ፕሮሰስ በመባል በሚታወቀው ተመሳሳይ ቺፕ ላይ ባይፖላር፣ ሲኤምኦኤስ እና ዲኤምኦኤስ መሳሪያዎችን መስራት ይችላል፣ ይህም በ1986 በSTMicroelectronics (ST) በተሳካ ሁኔታ የዳበረ ነው።

ባይፖላር ለአናሎግ ሰርክዩቶች ተስማሚ ነው፣ ሲኤምኦኤስ ለዲጂታል እና ለሎጂክ ሰርክዩቶች ተስማሚ ነው፣ እና ዲኤምኦኤስ ለኃይል እና ለከፍተኛ ቮልቴጅ መሳሪያዎች ተስማሚ ነው። ቢሲዲ የሦስቱን ጥቅሞች ያጣምራል። ከተከታታይ ማሻሻያ በኋላ ቢሲዲ በሃይል አስተዳደር፣ በአናሎግ የውሂብ ማግኛ እና በሃይል አክቲውተሮች ዘርፎች በስፋት ጥቅም ላይ ይውላል። እንደ ST ኦፊሴላዊ ድረ-ገጽ ገለጻ፣ ለቢሲዲ የበሰለ ሂደት አሁንም 100 nm አካባቢ ነው፣ 90 nm አሁንም በፕሮቶታይፕ ዲዛይን ላይ ነው፣ እና 40 nmBCD ቴክኖሎጂ በልማት ላይ ላሉት የቀጣዩ ትውልድ ምርቶች አካል ነው።