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Mentre i processi di produzione dei semiconduttori continuano a compiere progressi rivoluzionari, una famosa affermazione, nota come "Legge di Moore", si è diffusa nel settore. Fu proposta da Gordon Moore, uno dei fondatori di Intel, nel 1965. Il suo principio fondamentale è che il numero di transistor che possono essere integrati in un circuito integrato raddoppia approssimativamente ogni 18-24 mesi. Questa legge non è solo un'analisi e una previsione dell'andamento del settore, ma anche una forza trainante per lo sviluppo dei processi di produzione dei semiconduttori: tutto è finalizzato alla realizzazione di transistor di dimensioni sempre più ridotte e con prestazioni stabili. Dagli anni '50 ad oggi, in circa 70 anni, sono state sviluppate complessivamente le tecnologie di processo BJT, MOSFET, CMOS, DMOS e ibride BiCMOS e BCD.
1. BJT
Il transistor a giunzione bipolare (BJT), comunemente noto come triodo, è un dispositivo bipolare. Il flusso di carica al suo interno è dovuto principalmente alla diffusione e al moto di deriva dei portatori di carica nella giunzione PN. Poiché coinvolge il flusso sia di elettroni che di lacune, viene definito tale.
Ripercorrendo la storia della sua nascita, Shockley, spinto dall'idea di sostituire i triodi a vuoto con amplificatori a stato solido, propose di avviare una ricerca di base sui semiconduttori nell'estate del 1945. Nella seconda metà dello stesso anno, i Bell Labs istituirono un gruppo di ricerca sulla fisica dello stato solido, guidato da Shockley. Questo gruppo era composto non solo da fisici, ma anche da ingegneri di circuiti e chimici, tra cui Bardeen, fisico teorico, e Brattain, fisico sperimentale. Nel dicembre del 1947, Bardeen e Brattain realizzarono un evento che sarebbe stato considerato una pietra miliare dalle generazioni successive: inventarono con successo il primo transistor a contatto puntiforme al germanio con amplificazione di corrente.
Il primo transistor a contatto puntiforme di Bardeen e Brattain
Poco tempo dopo, nel 1948, Shockley inventò il transistor a giunzione bipolare. Propose che il transistor potesse essere composto da due giunzioni pn, una polarizzata direttamente e l'altra inversamente, e ottenne un brevetto nel giugno del 1948. Nel 1949, pubblicò la teoria dettagliata del funzionamento del transistor a giunzione. Più di due anni dopo, scienziati e ingegneri dei Bell Labs svilupparono un processo per la produzione in serie di transistor a giunzione (traguardo raggiunto nel 1951), inaugurando una nuova era della tecnologia elettronica. In riconoscimento del loro contributo all'invenzione del transistor, Shockley, Bardeen e Brattain vinsero congiuntamente il Premio Nobel per la Fisica nel 1956.
Schema strutturale semplificato di un transistor a giunzione bipolare NPN.
Per quanto riguarda la struttura dei transistor a giunzione bipolare, i BJT più comuni sono NPN e PNP. La struttura interna dettagliata è mostrata nella figura sottostante. La regione del semiconduttore di impurità corrispondente all'emettitore è la regione dell'emettitore, che presenta un'elevata concentrazione di drogaggio; la regione del semiconduttore di impurità corrispondente alla base è la regione della base, che ha uno spessore molto ridotto e una concentrazione di drogaggio molto bassa; la regione del semiconduttore di impurità corrispondente al collettore è la regione del collettore, che ha un'ampia area e una concentrazione di drogaggio molto bassa.
I vantaggi della tecnologia BJT sono l'elevata velocità di risposta, l'elevata transconduttanza (le variazioni della tensione di ingresso corrispondono a grandi variazioni della corrente di uscita), il basso rumore, l'elevata precisione analogica e la forte capacità di pilotaggio della corrente; gli svantaggi sono la bassa integrazione (la profondità verticale non può essere ridotta con le dimensioni laterali) e l'elevato consumo energetico.
2. MOS
Il transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET) è un transistor a effetto di campo che controlla la commutazione del canale conduttivo del semiconduttore (S) applicando una tensione al gate dello strato metallico (M - alluminio) e al source attraverso lo strato di ossido (O - strato isolante di SiO2) per generare un campo elettrico. Poiché il gate e il source, e il gate e il drain sono isolati dallo strato isolante di SiO2, il MOSFET è anche chiamato transistor a effetto di campo a gate isolato. Nel 1962, i Bell Labs annunciarono ufficialmente il successo dello sviluppo, che divenne una delle pietre miliari più importanti nella storia dello sviluppo dei semiconduttori e gettò direttamente le basi tecniche per l'avvento della memoria a semiconduttore.
I MOSFET possono essere suddivisi in MOSFET a canale P e a canale N in base al tipo di canale conduttivo. In base all'ampiezza della tensione di gate, si possono distinguere: tipo a svuotamento - quando la tensione di gate è zero, esiste un canale conduttivo tra il drain e il source; tipo ad arricchimento - per i dispositivi a canale N (P), esiste un canale conduttivo solo quando la tensione di gate è maggiore (minore) di zero, e i MOSFET di potenza sono principalmente a canale N ad arricchimento.
Le principali differenze tra MOS e triodo includono, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, i seguenti punti:
-I triodi sono dispositivi bipolari perché sia i portatori di carica maggioritari che quelli minoritari partecipano contemporaneamente alla conduzione; mentre i transistor MOS conducono l'elettricità solo attraverso i portatori di carica maggioritari nei semiconduttori e sono anche chiamati transistor unipolari.
-I triodi sono dispositivi controllati in corrente con un consumo energetico relativamente elevato; mentre i MOSFET sono dispositivi controllati in tensione con un basso consumo energetico.
I triodi hanno un'elevata resistenza di conduzione, mentre i transistor MOS hanno una bassa resistenza di conduzione, di poche centinaia di milliohm. Nei dispositivi elettrici attuali, i transistor MOS sono generalmente utilizzati come interruttori, principalmente perché la loro efficienza è relativamente alta rispetto a quella dei triodi.
-I triodi hanno un costo relativamente vantaggioso, mentre i tubi MOS sono relativamente costosi.
Oggigiorno, nella maggior parte dei casi, i transistor MOS vengono utilizzati in sostituzione dei triodi. Solo in alcuni casi a bassa potenza o in cui la potenza non è un fattore determinante, si utilizzano ancora i triodi, considerando il vantaggio in termini di costo.
3. CMOS
Tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor): la tecnologia CMOS utilizza transistor a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET) complementari di tipo p e di tipo n per realizzare dispositivi elettronici e circuiti logici. La figura seguente mostra un comune inverter CMOS, utilizzato per la conversione "1→0" o "0→1".
La figura seguente mostra una tipica sezione trasversale di un transistor CMOS. Il lato sinistro rappresenta un NMOS, mentre il lato destro rappresenta un PMOS. I poli G dei due MOS sono collegati tra loro a formare un ingresso gate comune, mentre i poli D sono collegati tra loro a formare un'uscita drain comune. VDD è collegato al source del PMOS, e VSS è collegato al source dell'NMOS.
Nel 1963, Wanlass e Sah della Fairchild Semiconductor inventarono il circuito CMOS. Nel 1968, la American Radio Corporation (RCA) sviluppò il primo circuito integrato CMOS e da allora il circuito CMOS ha conosciuto un grande sviluppo. I suoi vantaggi sono il basso consumo energetico e l'elevata integrazione (il processo STI/LOCOS può ulteriormente migliorare l'integrazione); il suo svantaggio è la presenza di un effetto di blocco (la polarizzazione inversa della giunzione PN viene utilizzata come isolamento tra i transistor MOS e l'interferenza può facilmente formare un anello amplificato e bruciare il circuito).
4. DMOS
Semiconduttore a ossido metallico a doppia diffusione: simile alla struttura dei dispositivi MOSFET ordinari, anch'esso presenta source, drain, gate e altri elettrodi, ma la tensione di rottura del terminale di drain è elevata. Viene utilizzato un processo di doppia diffusione.
La figura seguente mostra la sezione trasversale di un DMOS standard a canale N. Questo tipo di dispositivo DMOS viene solitamente utilizzato in applicazioni di commutazione a basso lato, dove il source del MOSFET è collegato a massa. Esiste inoltre un DMOS a canale P. Questo tipo di dispositivo DMOS viene solitamente utilizzato in applicazioni di commutazione ad alto lato, dove il source del MOSFET è collegato a una tensione positiva. Analogamente al CMOS, i dispositivi DMOS complementari utilizzano MOSFET a canale N e a canale P sullo stesso chip per fornire funzioni di commutazione complementari.
A seconda della direzione del canale, i DMOS possono essere suddivisi in due tipi: VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET), transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo a doppia diffusione verticale, e LDMOS (Lateral Double-Diffused MOSFET), transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo a doppia diffusione laterale.
I dispositivi VDMOS sono progettati con un canale verticale. Rispetto ai dispositivi DMOS laterali, presentano una tensione di rottura e una capacità di gestione della corrente superiori, ma la resistenza di conduzione rimane comunque relativamente elevata.
I dispositivi LDMOS sono progettati con un canale laterale e sono dispositivi MOSFET di potenza asimmetrici. Rispetto ai dispositivi DMOS verticali, consentono una minore resistenza di conduzione e velocità di commutazione più elevate.
Rispetto ai MOSFET tradizionali, i DMOS presentano una maggiore capacità di conduzione e una minore resistenza, pertanto sono ampiamente utilizzati in dispositivi elettronici ad alta potenza come interruttori di potenza, utensili elettrici e sistemi di azionamento per veicoli elettrici.
5. BiCMOS
La tecnologia BiCMOS integra dispositivi CMOS e bipolari sullo stesso chip contemporaneamente. L'idea di base è quella di utilizzare dispositivi CMOS come circuito unitario principale e aggiungere dispositivi o circuiti bipolari laddove è necessario pilotare carichi capacitivi elevati. Pertanto, i circuiti BiCMOS presentano i vantaggi di elevata integrazione e basso consumo energetico dei circuiti CMOS, uniti ai vantaggi di alta velocità e forte capacità di pilotaggio di corrente dei circuiti BJT.
La tecnologia BiCMOS SiGe (silicio-germanio) di STMicroelectronics integra componenti RF, analogici e digitali su un singolo chip, riducendo significativamente il numero di componenti esterni e ottimizzando il consumo energetico.
6. BCD
Bipolar-CMOS-DMOS: questa tecnologia permette di realizzare dispositivi bipolari, CMOS e DMOS sullo stesso chip, tramite un processo chiamato BCD, sviluppato con successo per la prima volta da STMicroelectronics (ST) nel 1986.
La tecnologia bipolare è adatta ai circuiti analogici, la CMOS ai circuiti digitali e logici, e la DMOS ai dispositivi di potenza e ad alta tensione. La tecnologia BCD combina i vantaggi di tutte e tre. Grazie ai continui miglioramenti, la BCD è ampiamente utilizzata in prodotti per la gestione dell'alimentazione, l'acquisizione di dati analogici e gli attuatori di potenza. Secondo il sito web ufficiale di ST, il processo produttivo maturo per la BCD è ancora intorno ai 100 nm, quello a 90 nm è ancora in fase di prototipo, mentre la tecnologia BCD a 40 nm appartiene ai prodotti di prossima generazione attualmente in fase di sviluppo.
Data di pubblicazione: 10 settembre 2024