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A medida que los procesos de fabricación de semiconductores siguen avanzando, una famosa afirmación conocida como la "Ley de Moore" ha estado presente en la industria. Fue propuesta por Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, en 1965. Su contenido principal es: el número de transistores que se pueden integrar en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada 18 a 24 meses. Esta ley no solo analiza y predice la tendencia de desarrollo de la industria, sino que también impulsa el desarrollo de los procesos de fabricación de semiconductores, cuyo objetivo es crear transistores de menor tamaño y rendimiento estable. Desde la década de 1950 hasta la actualidad, en aproximadamente 70 años, se han desarrollado tecnologías de proceso como BJT, MOSFET, CMOS, DMOS y las híbridas BiCMOS y BCD.
1. BJT
Transistor de unión bipolar (BJT), comúnmente conocido como triodo. El flujo de carga en el transistor se debe principalmente a la difusión y el movimiento de deriva de los portadores en la unión PN. Dado que implica el flujo tanto de electrones como de huecos, se denomina dispositivo bipolar.
Repasemos la historia de su nacimiento. Con la idea de reemplazar los triodos de vacío por amplificadores de estado sólido, Shockley propuso realizar investigación básica sobre semiconductores en el verano de 1945. En la segunda mitad de ese año, Bell Labs creó un grupo de investigación en física del estado sólido, dirigido por Shockley. En este grupo no solo había físicos, sino también ingenieros de circuitos y químicos, entre ellos Bardeen, físico teórico, y Brattain, físico experimental. En diciembre de 1947, tuvo lugar un acontecimiento que las generaciones posteriores considerarían un hito: Bardeen y Brattain inventaron con éxito el primer transistor de germanio de contacto puntual con amplificación de corriente del mundo.
El primer transistor de contacto puntual de Bardeen y Brattain.
Poco después, en 1948, Shockley inventó el transistor de unión bipolar. Propuso que el transistor podía estar compuesto por dos uniones pn, una polarizada directamente y la otra inversamente, y obtuvo una patente en junio de ese mismo año. En 1949, publicó la teoría detallada del funcionamiento del transistor de unión. Más de dos años después, científicos e ingenieros de los Laboratorios Bell desarrollaron un proceso para lograr la producción en masa de transistores de unión (un hito en 1951), inaugurando una nueva era de la tecnología electrónica. En reconocimiento a sus contribuciones a la invención de los transistores, Shockley, Bardeen y Brattain recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física de 1956.
Diagrama estructural simple de un transistor de unión bipolar NPN
En cuanto a la estructura de los transistores de unión bipolar (BJT), los más comunes son los NPN y los PNP. La estructura interna detallada se muestra en la figura siguiente. La región de semiconductor de impurezas correspondiente al emisor es la región del emisor, que tiene una alta concentración de dopaje; la región de semiconductor de impurezas correspondiente a la base es la región de la base, que tiene un ancho muy reducido y una concentración de dopaje muy baja; la región de semiconductor de impurezas correspondiente al colector es la región del colector, que tiene una gran superficie y una concentración de dopaje muy baja.
Las ventajas de la tecnología BJT son la alta velocidad de respuesta, la alta transconductancia (los cambios en el voltaje de entrada corresponden a grandes cambios en la corriente de salida), el bajo nivel de ruido, la alta precisión analógica y la gran capacidad de conducción de corriente; las desventajas son la baja integración (la profundidad vertical no se puede reducir con el tamaño lateral) y el alto consumo de energía.
2. MOS
El transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET) controla la conmutación del canal conductor semiconductor (S) mediante la aplicación de voltaje a la compuerta de la capa metálica (M: aluminio) y a la fuente a través de la capa de óxido (O: capa aislante de SiO2) para generar el efecto del campo eléctrico. Dado que la compuerta y la fuente, así como la compuerta y el drenador, están aislados por la capa aislante de SiO2, el MOSFET también se denomina transistor de efecto de campo de compuerta aislada. En 1962, Bell Labs anunció oficialmente su exitoso desarrollo, lo que se convirtió en uno de los hitos más importantes en la historia del desarrollo de semiconductores y sentó las bases técnicas para la llegada de la memoria semiconductora.
Los MOSFET se pueden dividir en canales P y canales N según el tipo de canal conductor. Según la amplitud del voltaje de puerta, se pueden dividir en: tipo de agotamiento: cuando el voltaje de puerta es cero, existe un canal conductor entre el drenador y la fuente; tipo de enriquecimiento: para los dispositivos de canal N (P), existe un canal conductor solo cuando el voltaje de puerta es mayor que (menor que) cero, y los MOSFET de potencia son principalmente de tipo enriquecimiento de canal N.
Las principales diferencias entre los transistores MOS y los triodos incluyen, entre otros, los siguientes puntos:
Los triodos son dispositivos bipolares porque tanto los portadores mayoritarios como los minoritarios participan en la conducción al mismo tiempo; mientras que los transistores MOS solo conducen electricidad a través de los portadores mayoritarios en los semiconductores, y también se les denomina transistores unipolares.
Los triodos son dispositivos controlados por corriente con un consumo de energía relativamente alto; mientras que los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje con un bajo consumo de energía.
Los triodos tienen una resistencia de encendido elevada, mientras que los tubos MOS tienen una resistencia de encendido baja, de tan solo unos cientos de miliohmios. En los dispositivos eléctricos actuales, los tubos MOS se utilizan generalmente como interruptores, principalmente porque su eficiencia es relativamente alta en comparación con la de los triodos.
Los triodos tienen un coste relativamente ventajoso, mientras que los tubos MOS son relativamente caros.
Actualmente, los tubos MOS se utilizan para reemplazar a los triodos en la mayoría de los casos. Solo en algunos casos de baja potencia o donde la potencia no es un factor crítico, utilizaremos triodos debido a su menor precio.
3. CMOS
Semiconductor Complementario de Óxido Metálico: La tecnología CMOS utiliza transistores MOSFET (semiconductor de óxido metálico) complementarios de tipo p y tipo n para construir dispositivos electrónicos y circuitos lógicos. La siguiente figura muestra un inversor CMOS común, que se utiliza para la conversión "1→0" o "0→1".
La siguiente figura muestra una sección transversal típica de un transistor CMOS. El lado izquierdo corresponde a un transistor NMOS y el lado derecho a un transistor PMOS. Los polos G de ambos transistores MOS están conectados entre sí como una entrada de puerta común, y los polos D están conectados entre sí como una salida de drenador común. VDD está conectado a la fuente del transistor PMOS y VSS está conectado a la fuente del transistor NMOS.
En 1963, Wanlass y Sah de Fairchild Semiconductor inventaron el circuito CMOS. En 1968, la American Radio Corporation (RCA) desarrolló el primer circuito integrado CMOS, y desde entonces, este circuito ha experimentado un gran desarrollo. Sus ventajas son el bajo consumo de energía y la alta integración (el proceso STI/LOCOS puede mejorarla aún más); su desventaja es la existencia de un efecto de bloqueo (la polarización inversa de la unión PN se utiliza como aislamiento entre los transistores MOS, y la interferencia puede formar fácilmente un bucle amplificado y dañar el circuito).
4. DMOS
Semiconductor de óxido metálico de doble difusión: Similar a la estructura de los dispositivos MOSFET comunes, también tiene electrodos de fuente, drenaje, puerta y otros, pero el voltaje de ruptura del extremo del drenaje es alto. Se utiliza un proceso de doble difusión.
La figura siguiente muestra la sección transversal de un DMOS de canal N estándar. Este tipo de dispositivo DMOS se utiliza habitualmente en aplicaciones de conmutación de lado bajo, donde la fuente del MOSFET está conectada a tierra. Además, existe un DMOS de canal P. Este tipo de dispositivo DMOS se utiliza habitualmente en aplicaciones de conmutación de lado alto, donde la fuente del MOSFET está conectada a una tensión positiva. De forma similar a los CMOS, los dispositivos DMOS complementarios utilizan MOSFETs de canal N y de canal P en el mismo chip para proporcionar funciones de conmutación complementarias.
Según la dirección del canal, los DMOS se pueden dividir en dos tipos: transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico de doble difusión vertical VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET) y transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico de doble difusión lateral LDMOS (Lateral Double-Diffused MOSFET).
Los dispositivos VDMOS están diseñados con un canal vertical. En comparación con los dispositivos DMOS laterales, tienen mayor tensión de ruptura y capacidad de manejo de corriente, pero la resistencia de encendido sigue siendo relativamente alta.
Los dispositivos LDMOS están diseñados con un canal lateral y son transistores MOSFET de potencia asimétricos. En comparación con los dispositivos DMOS verticales, permiten una menor resistencia de encendido y velocidades de conmutación más rápidas.
En comparación con los MOSFET tradicionales, el DMOS tiene una capacitancia de encendido mayor y una resistencia menor, por lo que se utiliza ampliamente en dispositivos electrónicos de alta potencia, como interruptores de potencia, herramientas eléctricas y sistemas de accionamiento de vehículos eléctricos.
5. BiCMOS
La tecnología CMOS bipolar integra dispositivos CMOS y bipolares en un mismo chip. Su idea básica consiste en utilizar dispositivos CMOS como circuito principal y añadir dispositivos o circuitos bipolares donde se requiera controlar grandes cargas capacitivas. Por lo tanto, los circuitos BiCMOS combinan las ventajas de la alta integración y el bajo consumo de energía de los circuitos CMOS con las ventajas de la alta velocidad y la gran capacidad de conducción de corriente de los circuitos BJT.
La tecnología BiCMOS SiGe (silicio-germanio) de STMicroelectronics integra componentes de radiofrecuencia, analógicos y digitales en un solo chip, lo que puede reducir significativamente el número de componentes externos y optimizar el consumo de energía.
6. BCD
La tecnología Bipolar-CMOS-DMOS permite fabricar dispositivos bipolares, CMOS y DMOS en el mismo chip, mediante un proceso denominado BCD, que fue desarrollado con éxito por primera vez por STMicroelectronics (ST) en 1986.
La tecnología bipolar es adecuada para circuitos analógicos, la CMOS para circuitos digitales y lógicos, y la DMOS para dispositivos de potencia y alta tensión. La tecnología BCD combina las ventajas de las tres. Tras una mejora continua, la BCD se utiliza ampliamente en productos de gestión de energía, adquisición de datos analógicos y actuadores de potencia. Según la página web oficial de ST, el proceso de fabricación de BCD se sitúa en torno a los 100 nm, el de 90 nm aún se encuentra en fase de prototipo, y la tecnología BCD de 40 nm forma parte de sus productos de próxima generación en desarrollo.
Fecha de publicación: 10 de septiembre de 2024