BJT, CMOS, DMOS e outras tecnoloxías de procesos de semicondutores

Benvidos á nosa páxina web para obter información e asesoramento sobre produtos.

O noso sitio web:https://www.vet-china.com/

 

A medida que os procesos de fabricación de semicondutores continúan a facer avances, unha famosa afirmación chamada "Lei de Moore" está a circular pola industria. Foi proposta por Gordon Moore, un dos fundadores de Intel, en 1965. O seu contido principal é: o número de transistores que se poden aloxar nun circuíto integrado duplicarase aproximadamente cada 18 a 24 meses. Esta lei non só é unha análise e predición da tendencia de desenvolvemento da industria, senón tamén unha forza impulsora para o desenvolvemento de procesos de fabricación de semicondutores: todo está en facer transistores con menor tamaño e rendemento estable. Desde a década de 1950 ata a actualidade, uns 70 anos, desenvolvéronse un total de tecnoloxías de procesos BJT, MOSFET, CMOS, DMOS e híbridos BiCMOS e BCD.

 

1. Transformador de tensión variable (BJT)

Transistor de unión bipolar (BJT), coñecido comunmente como tríodo. O fluxo de carga no transistor débese principalmente á difusión e ao movemento de deriva dos portadores na unión PN. Dado que implica o fluxo tanto de electróns como de buratos, denomínase dispositivo bipolar.

Botando a vista atrás á historia do seu nacemento. Debido á idea de substituír os tríodos de baleiro por amplificadores sólidos, Shockley propuxo levar a cabo investigacións básicas sobre semicondutores no verán de 1945. Na segunda metade de 1945, os Laboratorios Bell estableceron un grupo de investigación de física do estado sólido dirixido por Shockley. Neste grupo, non só había físicos, senón tamén enxeñeiros de circuítos e químicos, incluíndo Bardeen, un físico teórico, e Brattain, un físico experimental. En decembro de 1947, ocorreu brillantemente un evento que foi considerado un fito polas xeracións posteriores: Bardeen e Brattain inventaron con éxito o primeiro transistor de contacto puntual de xermanio do mundo con amplificación de corrente.

O primeiro transistor de contacto puntual de Bardeen e Brattain

Pouco despois, Shockley inventou o transistor de unión bipolar en 1948. Propuxo que o transistor podía estar composto por dúas unións pn, unha polarizada directa e a outra polarizada inversa, e obtivo unha patente en xuño de 1948. En 1949, publicou a teoría detallada do funcionamento do transistor de unión. Máis de dous anos despois, científicos e enxeñeiros de Bell Labs desenvolveron un proceso para lograr a produción en masa de transistores de unión (fito en 1951), abrindo unha nova era da tecnoloxía electrónica. En recoñecemento ás súas contribucións á invención dos transistores, Shockley, Bardeen e Brattain gañaron conxuntamente o Premio Nobel de Física en 1956.

Diagrama estrutural sinxelo dun transistor de unión bipolar NPN

En canto á estrutura dos transistores de unión bipolar, os BJT comúns son o NPN e o PNP. A estrutura interna detallada móstrase na figura seguinte. A rexión de semicondutores de impurezas correspondente ao emisor é a rexión do emisor, que ten unha alta concentración de dopaxe; a rexión de semicondutores de impurezas correspondente á base é a rexión da base, que ten unha anchura moi fina e unha concentración de dopaxe moi baixa; a rexión de semicondutores de impurezas correspondente ao colector é a rexión do colector, que ten unha área grande e unha concentración de dopaxe moi baixa.

As vantaxes da tecnoloxía BJT son a alta velocidade de resposta, a alta transcondutancia (os cambios na tensión de entrada correspóndense con grandes cambios na corrente de saída), o baixo ruído, a alta precisión analóxica e a forte capacidade de accionamento de corrente; as desvantaxes son a baixa integración (a profundidade vertical non se pode reducir co tamaño lateral) e o alto consumo de enerxía.

 

2. MOS

Transistor de efecto de campo de semicondutores de óxido metálico (FET de semicondutores de óxido metálico), é dicir, un transistor de efecto de campo que controla o interruptor do canal condutor do semicondutor (S) aplicando tensión á porta da capa metálica (M - aluminio metálico) e á fonte a través da capa de óxido (O - capa illante SiO2) para xerar o efecto do campo eléctrico. Dado que a porta e a fonte, e a porta e o dreno están illados pola capa illante de SiO2, o MOSFET tamén se denomina transistor de efecto de campo de porta illada. En 1962, Bell Labs anunciou oficialmente o desenvolvemento exitoso, que se converteu nun dos fitos máis importantes na historia do desenvolvemento de semicondutores e sentou directamente as bases técnicas para a chegada da memoria de semicondutores.

Os MOSFET pódense dividir en canles P e canles N segundo o tipo de canle condutiva. Segundo a amplitude da tensión de porta, pódense dividir en: tipo de esgotamento: cando a tensión de porta é cero, hai unha canle condutiva entre o drenador e a fonte; tipo de mellora: para os dispositivos de canle N (P), só hai unha canle condutiva cando a tensión de porta é maior que (menor que) cero, e os MOSFET de potencia son principalmente do tipo de mellora de canle N.

As principais diferenzas entre MOS e tríodo inclúen, entre outras, as seguintes:

Os tríodos son dispositivos bipolares porque tanto os portadores maioritarios como os minoritarios participan na condución ao mesmo tempo; mentres que os MOS só conducen a electricidade a través de portadores maioritarios nos semicondutores, e tamén se denominan transistores unipolares.
Os tríodos son dispositivos controlados por corrente con consumo de enerxía relativamente alto; mentres que os MOSFET son dispositivos controlados por tensión con baixo consumo de enerxía.
-Os tríodos teñen unha gran resistencia de activación, mentres que as válvulas MOS teñen unha pequena resistencia de activación, só uns poucos centos de miliohmios. Nos dispositivos eléctricos actuais, as válvulas MOS úsanse xeralmente como interruptores, principalmente porque a eficiencia dos MOS é relativamente alta en comparación cos tríodos.
Os tríodos teñen un custo relativamente vantaxoso e as válvulas MOS son relativamente caras.
Hoxe en día, as válvulas MOS úsanse para substituír os tríodos na maioría dos escenarios. Só nalgunhas situacións de baixa potencia ou insensibles á potencia, usaremos tríodos tendo en conta a vantaxe de prezo.

3. CMOS

Semicondutores de óxido metálico complementarios: a tecnoloxía CMOS emprega transistores semicondutores de óxido metálico (MOSFET) de tipo p e de tipo n complementarios para construír dispositivos electrónicos e circuítos lóxicos. A seguinte figura mostra un inversor CMOS común, que se emprega para a conversión "1→0" ou "0→1".

A seguinte figura é unha sección transversal típica dun CMOS. O lado esquerdo é o NMS e o lado dereito é o PMOS. Os polos G dos dous MOS están conectados entre si como unha entrada de porta común e os polos D están conectados entre si como unha saída de dreno común. VDD está conectado á fonte do PMOS e VSS está conectado á fonte do NMOS.

En 1963, Wanlass e Sah, de Fairchild Semiconductor, inventaron o circuíto CMOS. En 1968, a American Radio Corporation (RCA) desenvolveu o primeiro produto de circuíto integrado CMOS e, desde entón, o circuíto CMOS acadou un grande desenvolvemento. As súas vantaxes son o baixo consumo de enerxía e a alta integración (o proceso STI/LOCOS pode mellorar aínda máis a integración); a súa desvantaxe é a existencia dun efecto de bloqueo (a polarización inversa da unión PN utilízase como illamento entre os tubos MOS e a interferencia pode formar facilmente un bucle mellorado e queimar o circuíto).

 

4. DMOS

Semicondutor de óxido metálico de dobre difusión: Semellante á estrutura dos dispositivos MOSFET ordinarios, tamén ten fonte, dreno, porta e outros eléctrodos, pero a tensión de ruptura do extremo do dreno é alta. Utilízase o proceso de dobre difusión.

A figura seguinte mostra a sección transversal dun DMOS de canal N estándar. Este tipo de dispositivo DMOS úsase normalmente en aplicacións de conmutación de lado baixo, onde a fonte do MOSFET está conectada á terra. Ademais, hai un DMOS de canal P. Este tipo de dispositivo DMOS úsase normalmente en aplicacións de conmutación de lado alto, onde a fonte do MOSFET está conectada a unha tensión positiva. De xeito similar ao CMOS, os dispositivos DMOS complementarios usan MOSFET de canal N e de canal P no mesmo chip para proporcionar funcións de conmutación complementarias.

Dependendo da dirección do canal, os DMOS pódense dividir en dous tipos, concretamente o transistor de efecto de campo de semicondutor de óxido metálico de dobre difusión vertical VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET) e o transistor de efecto de campo de semicondutor de óxido metálico de dobre difusión lateral LDMOS (Lateral Double-Diffused MOSFET).

Os dispositivos VDMOS están deseñados cun canal vertical. En comparación cos dispositivos DMOS laterais, teñen unha maior capacidade de manexo de tensión e corrente de ruptura, pero a resistencia de activación segue sendo relativamente grande.

Os dispositivos LDMOS están deseñados cun canal lateral e son dispositivos MOSFET de potencia asimétricos. En comparación cos dispositivos DMOS verticais, permiten unha menor resistencia de activación e velocidades de conmutación máis rápidas.

En comparación cos MOSFET tradicionais, os DMOS teñen unha maior capacitancia e unha menor resistencia, polo que se empregan amplamente en dispositivos electrónicos de alta potencia como interruptores, ferramentas eléctricas e accionamentos de vehículos eléctricos.

 

5. BiCMOS

O CMOS bipolar é unha tecnoloxía que integra dispositivos CMOS e bipolares no mesmo chip ao mesmo tempo. A súa idea básica é usar dispositivos CMOS como circuíto unitario principal e engadir dispositivos bipolares ou circuítos onde se requira controlar grandes cargas capacitivas. Polo tanto, os circuítos BiCMOS teñen as vantaxes da alta integración e o baixo consumo de enerxía dos circuítos CMOS e as vantaxes da alta velocidade e as fortes capacidades de control de corrente dos circuítos BJT.

A tecnoloxía BiCMOS SiGe (xermanio de silicio) de STMicroelectronics integra compoñentes de RF, analóxicos e dixitais nun único chip, o que pode reducir significativamente o número de compoñentes externos e optimizar o consumo de enerxía.

 

6. BCD

Bipolar-CMOS-DMOS, esta tecnoloxía pode crear dispositivos bipolares, CMOS e DMOS no mesmo chip, chamado proceso BCD, que foi desenvolvido con éxito por primeira vez por STMicroelectronics (ST) en 1986.

O bipolar é axeitado para circuítos analóxicos, o CMOS para circuítos dixitais e lóxicos e o DMOS para dispositivos de potencia e alta tensión. O BCD combina as vantaxes dos tres. Tras unha mellora continua, o BCD úsase amplamente en produtos nos campos da xestión de enerxía, a adquisición de datos analóxicos e os actuadores de potencia. Segundo o sitio web oficial de ST, o proceso maduro para o BCD aínda ronda os 100 nm, os 90 nm aínda están en deseño de prototipo e a tecnoloxía BCD de 40 nm pertence aos seus produtos de próxima xeración en desenvolvemento.