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सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रियाओं में लगातार हो रही प्रगति के चलते, उद्योग जगत में "मूर का नियम" नामक एक प्रसिद्ध कथन प्रचलित है। इसे इंटेल के संस्थापकों में से एक, गॉर्डन मूर ने 1965 में प्रस्तावित किया था। इसका मूल सार यह है कि एक एकीकृत परिपथ पर समाहित किए जा सकने वाले ट्रांजिस्टरों की संख्या लगभग हर 18 से 24 महीनों में दोगुनी हो जाएगी। यह नियम न केवल उद्योग के विकास की प्रवृत्ति का विश्लेषण और पूर्वानुमान है, बल्कि सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रियाओं के विकास के लिए एक प्रेरक शक्ति भी है - जिसका उद्देश्य छोटे आकार और स्थिर प्रदर्शन वाले ट्रांजिस्टर बनाना है। 1950 के दशक से लेकर आज तक, लगभग 70 वर्षों में, कुल मिलाकर BJT, MOSFET, CMOS, DMOS और हाइब्रिड BiCMOS और BCD प्रक्रिया प्रौद्योगिकियों का विकास हुआ है।
1. बीजेटी
बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर (बीजेटी), जिसे आमतौर पर ट्रायोड के नाम से जाना जाता है। ट्रांजिस्टर में आवेश का प्रवाह मुख्य रूप से पीन जंक्शन पर वाहकों के विसरण और बहाव के कारण होता है। चूंकि इसमें इलेक्ट्रॉन और होल दोनों का प्रवाह शामिल होता है, इसलिए इसे बाइपोलर डिवाइस कहा जाता है।
इसके उद्भव के इतिहास पर एक नज़र डालें। वैक्यूम ट्रायोड को सॉलिड एम्पलीफायर से बदलने के विचार के कारण, शॉकली ने 1945 की गर्मियों में अर्धचालकों पर मूलभूत शोध करने का प्रस्ताव रखा। 1945 के उत्तरार्ध में, बेल लैब्स ने शॉकली के नेतृत्व में एक सॉलिड-स्टेट भौतिकी अनुसंधान समूह की स्थापना की। इस समूह में न केवल भौतिक विज्ञानी, बल्कि सर्किट इंजीनियर और रसायनज्ञ भी शामिल थे, जिनमें सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी बार्डीन और प्रायोगिक भौतिक विज्ञानी ब्रैटन भी थे। दिसंबर 1947 में, एक ऐसी घटना घटी जिसे बाद की पीढ़ियों ने एक मील का पत्थर माना - बार्डीन और ब्रैटन ने सफलतापूर्वक दुनिया का पहला जर्मेनियम पॉइंट-कॉन्टैक्ट ट्रांजिस्टर करंट एम्प्लीफिकेशन के साथ आविष्कार किया।
बार्डीन और ब्रैटन का पहला पॉइंट-कॉन्टैक्ट ट्रांजिस्टर
इसके कुछ समय बाद, 1948 में शॉकली ने द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर का आविष्कार किया। उन्होंने प्रस्ताव दिया कि ट्रांजिस्टर को दो पीन जंक्शनों से बनाया जा सकता है, जिनमें से एक अग्रगामी और दूसरा विपरीतगामी होता है, और जून 1948 में उन्हें इसका पेटेंट प्राप्त हुआ। 1949 में, उन्होंने जंक्शन ट्रांजिस्टर के कार्य करने के विस्तृत सिद्धांत को प्रकाशित किया। दो साल से अधिक समय बाद, बेल लैब्स के वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने जंक्शन ट्रांजिस्टरों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक प्रक्रिया विकसित की (1951 में यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि थी), जिससे इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी के एक नए युग का शुभारंभ हुआ। ट्रांजिस्टर के आविष्कार में उनके योगदान को मान्यता देते हुए, शॉकली, बार्डीन और ब्रैटन को संयुक्त रूप से 1956 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।
एनपीएन बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर का सरल संरचनात्मक आरेख
बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर की संरचना के संबंध में, सामान्य बीजेटी एनपीएन और पीएनपी होते हैं। विस्तृत आंतरिक संरचना नीचे दिए गए चित्र में दर्शाई गई है। उत्सर्जक से संबंधित अशुद्ध अर्धचालक क्षेत्र उत्सर्जक क्षेत्र कहलाता है, जिसमें डोपिंग सांद्रता अधिक होती है; आधार से संबंधित अशुद्ध अर्धचालक क्षेत्र आधार क्षेत्र कहलाता है, जिसकी चौड़ाई बहुत कम और डोपिंग सांद्रता बहुत कम होती है; संग्राहक से संबंधित अशुद्ध अर्धचालक क्षेत्र संग्राहक क्षेत्र कहलाता है, जिसका क्षेत्रफल अधिक और डोपिंग सांद्रता बहुत कम होती है।
बीजेटी तकनीक के फायदे हैं उच्च प्रतिक्रिया गति, उच्च ट्रांसकंडक्टेंस (इनपुट वोल्टेज में परिवर्तन आउटपुट करंट में बड़े परिवर्तन के अनुरूप होते हैं), कम शोर, उच्च एनालॉग सटीकता और मजबूत करंट ड्राइविंग क्षमता; इसके नुकसान हैं कम एकीकरण (पार्श्व आकार के साथ ऊर्ध्वाधर गहराई को कम नहीं किया जा सकता) और उच्च बिजली खपत।
2. एमओएस
मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET) एक ऐसा फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर है जो धातु परत (M-एल्यूमीनियम) के गेट और ऑक्साइड परत (O-इंसुलेटिंग परत SiO2) के माध्यम से स्रोत पर वोल्टेज लगाकर विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है, जिससे सेमीकंडक्टर (S) चालक चैनल का स्विच नियंत्रित होता है। चूंकि गेट और स्रोत तथा गेट और ड्रेन SiO2 इंसुलेटिंग परत द्वारा पृथक होते हैं, इसलिए MOSFET को इंसुलेटेड गेट फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर भी कहा जाता है। 1962 में, बेल लैब्स ने इसके सफल विकास की आधिकारिक घोषणा की, जो सेमीकंडक्टर विकास के इतिहास में सबसे महत्वपूर्ण मील के पत्थरों में से एक बन गया और इसने सेमीकंडक्टर मेमोरी के आगमन के लिए तकनीकी आधार तैयार किया।
चालक चैनल के प्रकार के आधार पर MOSFET को P चैनल और N चैनल में विभाजित किया जा सकता है। गेट वोल्टेज आयाम के आधार पर, इसे दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: डिप्लेशन प्रकार - जब गेट वोल्टेज शून्य होता है, तो ड्रेन और सोर्स के बीच एक चालक चैनल होता है; एनहांसमेंट प्रकार - N (P) चैनल उपकरणों के लिए, चालक चैनल केवल तभी होता है जब गेट वोल्टेज शून्य से अधिक (या कम) होता है, और पावर MOSFET मुख्य रूप से N चैनल एनहांसमेंट प्रकार का होता है।
एमओएस और ट्रायोड के बीच मुख्य अंतरों में निम्नलिखित बिंदु शामिल हैं, लेकिन ये इन्हीं तक सीमित नहीं हैं:
-ट्रायोड द्विध्रुवीय उपकरण होते हैं क्योंकि इनमें बहुसंख्यक और अल्पसंख्यक दोनों वाहक एक ही समय में चालकता में भाग लेते हैं; जबकि एमओएस अर्धचालकों में केवल बहुसंख्यक वाहकों के माध्यम से विद्युत का संचालन करता है, और इसे एकध्रुवीय ट्रांजिस्टर भी कहा जाता है।
-ट्रायोड्स अपेक्षाकृत अधिक बिजली की खपत वाले करंट-नियंत्रित उपकरण हैं; जबकि एमओएसएफईटी कम बिजली की खपत वाले वोल्टेज-नियंत्रित उपकरण हैं।
ट्रायोड का ऑन-रेज़िस्टेंस अधिक होता है, जबकि एमओएस ट्यूब का ऑन-रेज़िस्टेंस कम होता है, केवल कुछ सौ मिलीओम। वर्तमान विद्युत उपकरणों में, एमओएस ट्यूबों का उपयोग आमतौर पर स्विच के रूप में किया जाता है, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि एमओएस की दक्षता ट्रायोड की तुलना में अपेक्षाकृत अधिक होती है।
-ट्रायोड की लागत अपेक्षाकृत कम होती है, जबकि एमओएस ट्यूब अपेक्षाकृत महंगी होती हैं।
आजकल, अधिकतर मामलों में ट्रायोड के स्थान पर एमओएस ट्यूबों का उपयोग किया जाता है। केवल कुछ कम-शक्ति या शक्ति-संवेदनशील न होने वाले मामलों में ही हम कीमत के लाभ को ध्यान में रखते हुए ट्रायोड का उपयोग करेंगे।
3. सीएमओएस
पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक: CMOS तकनीक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और लॉजिक सर्किटों के निर्माण के लिए पूरक p-प्रकार और n-प्रकार के धातु ऑक्साइड अर्धचालक ट्रांजिस्टर (MOSFET) का उपयोग करती है। निम्नलिखित चित्र एक सामान्य CMOS इन्वर्टर को दर्शाता है, जिसका उपयोग "1→0" या "0→1" रूपांतरण के लिए किया जाता है।
नीचे दिया गया चित्र एक विशिष्ट CMOS क्रॉस-सेक्शन है। बायां भाग NMS है और दायां भाग PMOS है। दोनों MOS के G ध्रुवों को एक सामान्य गेट इनपुट के रूप में और D ध्रुवों को एक सामान्य ड्रेन आउटपुट के रूप में जोड़ा गया है। VDD को PMOS के स्रोत से और VSS को NMOS के स्रोत से जोड़ा गया है।
1963 में, फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर के वानलास और साह ने CMOS सर्किट का आविष्कार किया। 1968 में, अमेरिकन रेडियो कॉर्पोरेशन (RCA) ने पहला CMOS इंटीग्रेटेड सर्किट उत्पाद विकसित किया, और तब से CMOS सर्किट ने काफी विकास किया है। इसके लाभ कम बिजली खपत और उच्च एकीकरण (STI/LOCOS प्रक्रिया एकीकरण को और बेहतर बना सकती है) हैं; इसकी एक कमी है लॉक प्रभाव का होना (MOS ट्यूबों के बीच अलगाव के रूप में PN जंक्शन रिवर्स बायस का उपयोग किया जाता है, और हस्तक्षेप आसानी से एक उन्नत लूप बना सकता है और सर्किट को जला सकता है)।
4. डीएमओएस
डबल-डिफ्यूज़्ड मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर: साधारण MOSFET उपकरणों की संरचना के समान, इसमें भी सोर्स, ड्रेन, गेट और अन्य इलेक्ट्रोड होते हैं, लेकिन ड्रेन सिरे का ब्रेकडाउन वोल्टेज उच्च होता है। इसमें डबल डिफ्यूज़न प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है।
नीचे दिया गया चित्र एक मानक N-चैनल DMOS का अनुप्रस्थ काट दर्शाता है। इस प्रकार के DMOS उपकरण का उपयोग आमतौर पर लो-साइड स्विचिंग अनुप्रयोगों में किया जाता है, जहाँ MOSFET का स्रोत ग्राउंड से जुड़ा होता है। इसके अतिरिक्त, एक P-चैनल DMOS भी होता है। इस प्रकार के DMOS उपकरण का उपयोग आमतौर पर हाई-साइड स्विचिंग अनुप्रयोगों में किया जाता है, जहाँ MOSFET का स्रोत धनात्मक वोल्टेज से जुड़ा होता है। CMOS की तरह, पूरक DMOS उपकरण पूरक स्विचिंग कार्यों को प्रदान करने के लिए एक ही चिप पर N-चैनल और P-चैनल MOSFET का उपयोग करते हैं।
चैनल की दिशा के आधार पर, डीएमओएस को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है, अर्थात् वर्टिकल डबल-डिफ्यूज्ड मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर वीडीएमओएस (वर्टिकल डबल-डिफ्यूज्ड एमओएसएफईटी) और लैटरल डबल-डिफ्यूज्ड मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर एलडीएमओएस (लैटरल डबल-डिफ्यूज्ड एमओएसएफईटी)।
VDMOS उपकरणों को ऊर्ध्वाधर चैनल के साथ डिज़ाइन किया जाता है। पार्श्व DMOS उपकरणों की तुलना में, इनमें उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और करंट हैंडलिंग क्षमता होती है, लेकिन ऑन-रेज़िस्टेंस अभी भी अपेक्षाकृत अधिक होता है।
एलडीएमओएस डिवाइस लैटरल चैनल के साथ डिज़ाइन किए जाते हैं और ये असममित पावर एमओएसएफईटी डिवाइस हैं। वर्टिकल डीएमओएस डिवाइस की तुलना में, ये कम ऑन-रेज़िस्टेंस और तेज़ स्विचिंग गति प्रदान करते हैं।
परंपरागत MOSFETs की तुलना में, DMOS में उच्च ऑन-कैपेसिटेंस और कम प्रतिरोध होता है, इसलिए इसका व्यापक रूप से उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे पावर स्विच, पावर टूल्स और इलेक्ट्रिक वाहन ड्राइव में उपयोग किया जाता है।
5. बाईसीएमओएस
बाइपोलर CMOS एक ऐसी तकनीक है जो CMOS और बाइपोलर उपकरणों को एक ही चिप पर एक साथ एकीकृत करती है। इसका मूल विचार CMOS उपकरणों को मुख्य इकाई परिपथ के रूप में उपयोग करना है, और जहां उच्च संधारित्र भार को संचालित करने की आवश्यकता होती है, वहां बाइपोलर उपकरणों या परिपथों को जोड़ना है। इसलिए, बाइपोलर CMOS परिपथों में CMOS परिपथों की उच्च एकीकरण क्षमता और कम बिजली खपत के साथ-साथ BJT परिपथों की उच्च गति और मजबूत धारा प्रवाह क्षमता के लाभ भी मौजूद होते हैं।
STMicroelectronics की BiCMOS SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम) तकनीक एक ही चिप पर RF, एनालॉग और डिजिटल भागों को एकीकृत करती है, जिससे बाहरी घटकों की संख्या में काफी कमी आ सकती है और बिजली की खपत को अनुकूलित किया जा सकता है।
6. बीसीडी
बाइपोलर-सीएमओएस-डीएमओएस, यह तकनीक एक ही चिप पर बाइपोलर, सीएमओएस और डीएमओएस डिवाइस बना सकती है, जिसे बीसीडी प्रक्रिया कहा जाता है, जिसे पहली बार 1986 में एसटी माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स (एसटी) द्वारा सफलतापूर्वक विकसित किया गया था।
बाइपोलर एनालॉग सर्किट के लिए उपयुक्त है, CMOS डिजिटल और लॉजिक सर्किट के लिए उपयुक्त है, और DMOS पावर और हाई-वोल्टेज उपकरणों के लिए उपयुक्त है। BCD इन तीनों के फायदों को मिलाकर बनाया गया है। लगातार सुधार के बाद, BCD का उपयोग पावर मैनेजमेंट, एनालॉग डेटा अधिग्रहण और पावर एक्चुएटर्स के क्षेत्र में उत्पादों में व्यापक रूप से किया जाता है। ST की आधिकारिक वेबसाइट के अनुसार, BCD की परिपक्व प्रक्रिया अभी भी लगभग 100nm पर है, 90nm अभी प्रोटोटाइप डिजाइन चरण में है, और 40nm BCD तकनीक कंपनी के अगली पीढ़ी के विकास के अधीन उत्पादों में शामिल है।
पोस्ट करने का समय: 10 सितंबर 2024