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半導体製造プロセスが次々とブレークスルーを成し遂げるにつれ、「ムーアの法則」と呼ばれる有名な法則が業界で広く知られるようになりました。これは、インテルの創設者の一人であるゴードン・ムーアが1965年に提唱したものです。その核心は、集積回路に搭載できるトランジスタの数が約18～24ヶ月ごとに倍増するというものです。この法則は、業界の発展傾向の分析と予測であるだけでなく、半導体製造プロセスの開発の原動力でもあります。すべては、より小型で安定した性能のトランジスタを作るためです。1950年代から現在までの約70年間で、BJT、MOSFET、CMOS、DMOS、ハイブリッドBiCMOS、BCDプロセス技術が開発されました。
1. BJT
バイポーラ接合トランジスタ（BJT）は、一般に三極管として知られています。トランジスタ内の電荷の流れは、主にPN接合におけるキャリアの拡散とドリフト運動によって生じます。電子と正孔の両方の流れが関与するため、バイポーラデバイスと呼ばれます。
その誕生の歴史を振り返ってみよう。真空三極管を固体増幅器に置き換えるというアイデアから、ショックレーは1945年の夏に半導体に関する基礎研究を行うことを提案した。1945年後半、ベル研究所はショックレーをリーダーとする固体物理学研究グループを設立した。このグループには物理学者だけでなく、理論物理学者のバーディーンや実験物理学者のブラッテンなど、回路技術者や化学者も参加していた。1947年12月、後世に画期的な出来事とみなされる出来事が華々しく起こった。バーディーンとブラッテンが、電流増幅機能を備えた世界初のゲルマニウム点接触トランジスタの発明に成功したのである。
バーディーンとブラッテンによる最初の点接触型トランジスタ
その後間もなく、ショックレーは1948年にバイポーラ接合トランジスタを発明しました。彼は、トランジスタは順方向バイアスと逆方向バイアスの2つのpn接合から構成できると提唱し、1948年6月に特許を取得しました。1949年には、接合トランジスタの動作原理に関する詳細な理論を発表しました。それから2年以上後、ベル研究所の科学者と技術者たちは、接合トランジスタの量産を実現するプロセスを開発し（1951年の画期的な出来事）、電子技術の新時代を切り開きました。トランジスタの発明への貢献が認められ、ショックレー、バーディーン、ブラッテンの3人は、1956年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。
NPNバイポーラ接合トランジスタの簡単な構造図
バイポーラ接合トランジスタの構造に関して、一般的なBJTはNPN型とPNP型です。詳細な内部構造は下図に示されています。エミッタに対応する不純物半導体領域はエミッタ領域であり、ドーピング濃度が高いです。ベースに対応する不純物半導体領域はベース領域であり、幅が非常に狭く、ドーピング濃度が非常に低いです。コレクタに対応する不純物半導体領域はコレクタ領域であり、面積が大きく、ドーピング濃度が非常に低いです。
BJT技術の利点は、応答速度が速いこと、相互コンダクタンスが高いこと（入力電圧の変化に対して出力電流が大きく変化する）、ノイズが少ないこと、アナログ精度が高いこと、電流駆動能力が高いことです。欠点は、集積度が低いこと（横方向のサイズを大きくしても縦方向の奥行きを小さくできない）、消費電力が高いことです。
2. MOS
金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）とは、金属層（M：金属アルミニウム）のゲートとソースに酸化膜層（O：絶縁層SiO2）を介して電圧を印加することで電界効果を生じさせ、半導体（S）導電チャネルのスイッチを制御する電界効果トランジスタである。ゲートとソース、およびゲートとドレインはSiO2絶縁層によって絶縁されているため、MOSFETは絶縁ゲート電界効果トランジスタとも呼ばれる。1962年、ベル研究所がMOSFETの開発成功を正式に発表し、これは半導体開発史における最も重要なマイルストーンの一つとなり、半導体メモリの出現に向けた技術的基盤を直接的に築いた。
MOSFETは、導電チャネルの種類によってPチャネルとNチャネルに分類できます。ゲート電圧の振幅によって、空乏型（ゲート電圧がゼロのときにドレインとソースの間に導電チャネルが存在する）とエンハンスメント型（Nチャネル（Pチャネル）デバイスの場合、ゲート電圧がゼロより大きい（小さい）場合にのみ導電チャネルが存在し、パワーMOSFETは主にNチャネルエンハンスメント型です）に分類できます。
MOSと三極管の主な違いは、以下の点を含むが、これらに限定されない。
三極管は、多数キャリアと少数キャリアの両方が同時に伝導に関与するため、双極性デバイスです。一方、MOSは半導体中の多数キャリアのみを介して電気を伝導するため、単極性トランジスタとも呼ばれます。
三極管は電流制御型のデバイスで、消費電力は比較的高い。一方、MOSFETは電圧制御型のデバイスで、消費電力は低い。
三極管はオン抵抗が大きいのに対し、MOS管はオン抵抗が小さく、わずか数百ミリオーム程度です。現在の電気機器では、MOS管は一般的にスイッチとして使用されています。これは主に、MOS管の効率が三極管に比べて比較的高いためです。
三極管は比較的コスト面で有利であり、MOS管は比較的高価である。
現在では、ほとんどの場面で三極管の代わりにMOS管が使用されています。低電力または電力感度の低い一部の場面でのみ、価格面での優位性を考慮して三極管が使用されます。
3. CMOS
相補型金属酸化膜半導体（CMOS）：CMOS技術は、相補型のp型およびn型金属酸化膜半導体トランジスタ（MOSFET）を使用して電子デバイスや論理回路を構築します。次の図は、1→0または0→1の変換に使用される一般的なCMOSインバータを示しています。
下図は典型的なCMOSの断面図です。左側はNMOS、右側はPMOSです。2つのMOSのG極は共通のゲート入力として接続され、D極は共通のドレイン出力として接続されています。VDDはPMOSのソースに、VSSはNMOSのソースに接続されています。
1963年、フェアチャイルド・セミコンダクターのワンラスとサハがCMOS回路を発明しました。1968年、アメリカン・ラジオ・コーポレーション（RCA）が最初のCMOS集積回路製品を開発し、それ以来、CMOS回路は大きな発展を遂げました。その利点は、低消費電力と高集積度（STI/LOCOSプロセスにより集積度をさらに向上させることが可能）です。欠点は、ロック効果の存在です（PN接合の逆バイアスがMOSトランジスタ間の絶縁として使用されるため、干渉によって容易に増幅ループが形成され、回路が焼損する可能性があります）。
4. DMOS
二重拡散型金属酸化物半導体：通常のMOSFETデバイスの構造に似ており、ソース、ドレイン、ゲートなどの電極を備えていますが、ドレイン端の耐圧が高く、二重拡散プロセスが用いられています。
下の図は、標準的なNチャネルDMOSの断面図を示しています。このタイプのDMOSデバイスは、通常、MOSFETのソースがグランドに接続されるローサイドスイッチング用途で使用されます。また、PチャネルDMOSもあります。このタイプのDMOSデバイスは、通常、MOSFETのソースが正電圧に接続されるハイサイドスイッチング用途で使用されます。CMOSと同様に、相補型DMOSデバイスは、同じチップ上にNチャネルMOSFETとPチャネルMOSFETを使用して、相補的なスイッチング機能を提供します。
チャネルの方向によって、DMOSは垂直二重拡散型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（VDMOS：垂直二重拡散型MOSFET）と水平二重拡散型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（LDMOS：水平二重拡散型MOSFET）の2種類に分類できます。
VDMOSデバイスは垂直チャネル構造で設計されています。横型DMOSデバイスと比較すると、耐圧と電流容量は高いものの、オン抵抗は依然として比較的大きいという特徴があります。
LDMOSデバイスは、横方向チャネルを備えた非対称パワーMOSFETデバイスです。垂直方向DMOSデバイスと比較して、オン抵抗が低く、スイッチング速度が速いという利点があります。
従来のMOSFETと比較して、DMOSはオン容量が大きく抵抗が低いため、パワースイッチ、電動工具、電気自動車の駆動装置などの高出力電子機器に広く使用されている。
5. BiCMOS
バイポーラCMOSは、CMOSとバイポーラ素子を同一チップ上に同時に集積する技術です。その基本的な考え方は、CMOS素子を主回路として使用し、大きな容量性負荷を駆動する必要がある箇所にバイポーラ素子または回路を追加することです。そのため、BiCMOS回路は、CMOS回路の高い集積度と低消費電力という利点と、BJT回路の高速性と強力な電流駆動能力という利点を兼ね備えています。
STマイクロエレクトロニクスのBiCMOS SiGe（シリコンゲルマニウム）技術は、RF、アナログ、デジタル部品を単一チップ上に統合することで、外部部品の数を大幅に削減し、消費電力を最適化することができます。
6. BCD
バイポーラCMOS-DMOSと呼ばれるこの技術は、同一チップ上にバイポーラ、CMOS、DMOSデバイスを形成できるもので、BCDプロセスと呼ばれ、1986年にSTマイクロエレクトロニクス（ST）によって初めて開発に成功しました。
バイポーラはアナログ回路に適しており、CMOSはデジタル回路やロジック回路に適しており、DMOSは電力および高電圧デバイスに適しています。BCDはこれら3つの利点を兼ね備えています。継続的な改良を経て、BCDは電力管理、アナログデータ収集、パワーアクチュエータなどの分野の製品に広く使用されています。STの公式ウェブサイトによると、BCDの成熟プロセスは依然として100nm前後であり、90nmはまだプロトタイプ設計段階、40nmBCD技術は開発中の次世代製品に属しています。
投稿日時：2024年9月10日