BJT, CMOS, DMOS un citas pusvadītāju procesu tehnoloģijas

Laipni lūdzam mūsu tīmekļa vietnē, lai saņemtu informāciju par produktiem un konsultācijas.

Mūsu tīmekļa vietne:https://www.vet-china.com/

 

Pusvadītāju ražošanas procesiem turpinot gūt panākumus, nozarē ir izplatījies slavenais apgalvojums, ko sauc par "Mūra likumu". To 1965. gadā ierosināja Gordons Mūrs, viens no Intel dibinātājiem. Tā pamatprincips ir šāds: tranzistoru skaits, ko var ievietot integrētajā shēmā, dubultosies aptuveni ik pēc 18 līdz 24 mēnešiem. Šis likums ir ne tikai nozares attīstības tendenču analīze un prognoze, bet arī pusvadītāju ražošanas procesu attīstības virzītājspēks - viss ir paredzēts, lai radītu mazākus tranzistorus ar stabilu veiktspēju. No 20. gadsimta 50. gadiem līdz mūsdienām, aptuveni 70 gadu laikā, kopumā ir izstrādātas BJT, MOSFET, CMOS, DMOS un hibrīdprocesu tehnoloģijas BiCMOS un BCD.

 

1. Bipolārās strāvas tranzistori

Bipolāri tranzistors (BJT), plašāk pazīstams kā triode. Lādiņa plūsma tranzistorā galvenokārt notiek lādiņu nesēju difūzijas un dreifa kustības dēļ PN pārejā. Tā kā tajā ir iesaistīta gan elektronu, gan caurumu plūsma, to sauc par bipolāru ierīci.

Atskatoties uz tā dzimšanas vēsturi. Sakarā ar ideju aizstāt vakuuma triodes ar cietvielu pastiprinātājiem, Šoklijs 1945. gada vasarā ierosināja veikt fundamentālus pētījumus par pusvadītājiem. 1945. gada otrajā pusē Bell Labs izveidoja cietvielu fizikas pētniecības grupu Šoklija vadībā. Šajā grupā ir ne tikai fiziķi, bet arī shēmu inženieri un ķīmiķi, tostarp teorētiskais fiziķis Bardīns un eksperimentālais fiziķis Bratīns. 1947. gada decembrī notika izcils notikums, ko vēlākās paaudzes uzskatīja par pagrieziena punktu - Bardīns un Bratīns veiksmīgi izgudroja pasaulē pirmo germānija punktveida kontakta tranzistoru ar strāvas pastiprināšanu.

Bardīna un Brattaina pirmais punktveida kontakta tranzistors

Neilgi pēc tam, 1948. gadā, Šoklijs izgudroja bipolāro tranzistoru. Viņš ierosināja, ka tranzistors var sastāvēt no diviem pn pārejas elementiem, no kuriem viens ir tiešās virziena un otrs ir apgrieztās virziena, un 1948. gada jūnijā ieguva patentu. 1949. gadā viņš publicēja detalizētu pārejas tranzistora darbības teoriju. Vairāk nekā divus gadus vēlāk Bell Labs zinātnieki un inženieri izstrādāja procesu pārejas tranzistoru masveida ražošanai (svarīgs pagrieziena punkts 1951. gadā), atklājot jaunu elektronisko tehnoloģiju ēru. Atzīstot viņu ieguldījumu tranzistoru izgudrošanā, Šoklijs, Bardīns un Bratens kopīgi ieguva 1956. gada Nobela prēmiju fizikā.

NPN bipolārā savienojuma tranzistora vienkārša struktūras shēma

Runājot par bipolāro tranzistoru struktūru, izplatītākie BJT ir NPN un PNP. Detalizēta iekšējā struktūra ir parādīta attēlā zemāk. Emiteram atbilstošais piemaisījumu pusvadītāju reģions ir emitera reģions, kuram ir augsta leģējuma koncentrācija; bāzei atbilstošais piemaisījumu pusvadītāju reģions ir bāzes reģions, kuram ir ļoti plāns platums un ļoti zema leģējuma koncentrācija; kolektoram atbilstošais piemaisījumu pusvadītāju reģions ir kolektora reģions, kuram ir liels laukums un ļoti zema leģējuma koncentrācija.

BJT tehnoloģijas priekšrocības ir augsts reakcijas ātrums, augsta transkonduktance (ieejas sprieguma izmaiņas atbilst lielām izejas strāvas izmaiņām), zems trokšņa līmenis, augsta analogā precizitāte un spēcīga strāvas piedziņas spēja; trūkumi ir zema integrācija (vertikālo dziļumu nevar samazināt ar sānu izmēru) un augsts enerģijas patēriņš.

 

2. MOS

Metāla oksīda pusvadītāja lauka efekta tranzistors (metāla oksīda pusvadītāja lauka efekta tranzistors), tas ir, lauka efekta tranzistors, kas kontrolē pusvadītāja (S) vadošā kanāla pārslēgšanu, pievadot spriegumu metāla slāņa (M - metāla alumīnijs) vārtiem un avotam caur oksīda slāni (O - izolācijas slānis SiO2), lai radītu elektriskā lauka efektu. Tā kā vārtus un avotu, kā arī vārtus un noteci izolē SiO2 izolācijas slānis, MOSFET sauc arī par izolētu vārtu lauka efekta tranzistoru. 1962. gadā Bell Labs oficiāli paziņoja par veiksmīgu izstrādi, kas kļuva par vienu no svarīgākajiem pagrieziena punktiem pusvadītāju attīstības vēsturē un tieši lika tehnisko pamatu pusvadītāju atmiņas parādīšanās.

Atbilstoši vadošā kanāla tipam MOSFET var iedalīt P kanāla un N kanāla tranzistoros. Atkarībā no vārtu sprieguma amplitūdas tos var iedalīt: noplicināšanas tipā — ja vārtu spriegums ir nulle, starp noteci un avotu ir vadošs kanāls; pastiprināšanas tipā — N (P) kanāla ierīcēs vadošs kanāls ir tikai tad, ja vārtu spriegums ir lielāks (mazāks par) nulli, un jaudas MOSFET galvenokārt ir N kanāla pastiprināšanas tips.

Galvenās atšķirības starp MOS un triodi ietver, bet neaprobežojas ar šādiem punktiem:

-Triodes ir bipolāras ierīces, jo gan vairākuma, gan mazākuma nesēji vienlaikus piedalās vadītspējā; savukārt MOS vada elektrību tikai caur vairākuma nesējiem pusvadītājos, un to sauc arī par vienpolāru tranzistoru.
-Triodes ir ar strāvu vadāmas ierīces ar relatīvi lielu enerģijas patēriņu; savukārt MOSFET ir ar spriegumu vadāmas ierīces ar zemu enerģijas patēriņu.
-Triodēm ir liela ieslēgšanas pretestība, savukārt MOS lampām ir maza ieslēgšanas pretestība, tikai daži simti miliomu. Pašreizējās elektriskajās ierīcēs MOS lampas parasti izmanto kā slēdžus, galvenokārt tāpēc, ka MOS efektivitāte ir salīdzinoši augsta salīdzinājumā ar triodēm.
-Triodēm ir salīdzinoši izdevīgas izmaksas, un MOS lampas ir salīdzinoši dārgas.
-Mūsdienās MOS lampas vairumā gadījumu tiek izmantotas triožu aizstāšanai. Tikai dažos mazjaudas vai jaudas ziņā nejutīgos gadījumos mēs izmantosim triodes, ņemot vērā cenas priekšrocības.

3. CMOS

Komplementārais metāla oksīda pusvadītājs: CMOS tehnoloģija izmanto komplementārus p-tipa un n-tipa metāla oksīda pusvadītāju tranzistorus (MOSFET), lai izveidotu elektroniskas ierīces un loģiskās shēmas. Šajā attēlā parādīts parasts CMOS invertors, ko izmanto "1→0" vai "0→1" pārveidošanai.

Šis attēls ir tipisks CMOS šķērsgriezums. Kreisajā pusē ir NMS, bet labajā pusē ir PMOS. Abu MOS G poli ir savienoti kopā kā kopīga vārtu ieeja, un D poli ir savienoti kopā kā kopīga noteces izeja. VDD ir savienots ar PMOS avotu, un VSS ir savienots ar NMOS avotu.

1963. gadā Vanlass un Sahs no uzņēmuma Fairchild Semiconductor izgudroja CMOS shēmu. 1968. gadā American Radio Corporation (RCA) izstrādāja pirmo CMOS integrētās shēmas produktu, un kopš tā laika CMOS shēma ir ievērojami attīstījusies. Tās priekšrocības ir zems enerģijas patēriņš un augsta integrācija (STI/LOCOS process var vēl vairāk uzlabot integrāciju); trūkums ir bloķēšanas efekta esamība (PN savienojuma apgrieztā nobīde tiek izmantota kā izolācija starp MOS lampām, un traucējumi var viegli veidot uzlabotu cilpu un sadedzināt shēmu).

 

4. DMOS

Divkārši difūzs metāla oksīda pusvadītājs: līdzīgs parasto MOSFET ierīču struktūrai, tam ir arī avots, notece, vārti un citi elektrodi, bet noteces gala sabrukšanas spriegums ir augsts. Tiek izmantots dubultās difūzijas process.

Zemāk redzamajā attēlā parādīts standarta N kanāla DMOS šķērsgriezums. Šāda veida DMOS ierīci parasti izmanto zemsprieguma komutācijas lietojumprogrammās, kur MOSFET avots ir savienots ar zemi. Turklāt pastāv P kanāla DMOS. Šāda veida DMOS ierīci parasti izmanto augsta sprieguma komutācijas lietojumprogrammās, kur MOSFET avots ir savienots ar pozitīvu spriegumu. Līdzīgi kā CMOS, komplementārās DMOS ierīces izmanto N kanāla un P kanāla MOSFET vienā mikroshēmā, lai nodrošinātu komplementāras komutācijas funkcijas.

Atkarībā no kanāla virziena DMOS var iedalīt divos veidos: vertikāli divkārši izkliedēts metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistors VDMOS (vertikāls divkārši izkliedēts MOSFET) un laterāli divkārši izkliedēts metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistors LDMOS (laterāls divkārši izkliedēts MOSFET).

VDMOS ierīces ir konstruētas ar vertikālu kanālu. Salīdzinot ar laterālajām DMOS ierīcēm, tām ir augstāka caurlaidības sprieguma un strāvas apstrādes spēja, taču ieslēgšanas pretestība joprojām ir relatīvi liela.

LDMOS ierīces ir konstruētas ar sānu kanālu un ir asimetriskas jaudas MOSFET ierīces. Salīdzinot ar vertikālajām DMOS ierīcēm, tās nodrošina zemāku ieslēgšanas pretestību un lielāku komutācijas ātrumu.

Salīdzinot ar tradicionālajiem MOSFET tranzistoriem, DMOS ir lielāka ieslēgšanās kapacitāte un zemāka pretestība, tāpēc to plaši izmanto lieljaudas elektroniskās ierīcēs, piemēram, jaudas slēdžos, elektroinstrumentos un elektrisko transportlīdzekļu piedziņās.

 

5. BiCMOS

Bipolārā CMOS ir tehnoloģija, kas vienlaikus integrē CMOS un bipolārās ierīces vienā mikroshēmā. Tās pamatideja ir izmantot CMOS ierīces kā galveno bloku shēmu un pievienot bipolārās ierīces vai shēmas, kur nepieciešams darbināt lielas kapacitatīvās slodzes. Tāpēc BiCMOS shēmām ir CMOS shēmu augstās integrācijas un zemā enerģijas patēriņa priekšrocības, kā arī BJT shēmu lielā ātruma un spēcīgas strāvas piedziņas iespējas.

STMicroelectronics BiCMOS SiGe (silīcija germānija) tehnoloģija integrē RF, analogās un digitālās detaļas vienā mikroshēmā, kas var ievērojami samazināt ārējo komponentu skaitu un optimizēt enerģijas patēriņu.

 

6. BCD

Bipolāri-CMOS-DMOS, šī tehnoloģija ļauj izveidot bipolāras, CMOS un DMOS ierīces vienā mikroshēmā, ko sauc par BCD procesu, ko pirmo reizi veiksmīgi izstrādāja STMicroelectronics (ST) 1986. gadā.

Bipolārā tehnoloģija ir piemērota analogajām shēmām, CMOS — digitālajām un loģiskajām shēmām, bet DMOS — jaudas un augstsprieguma ierīcēm. BCD apvieno visu trīs priekšrocības. Pēc nepārtrauktas uzlabošanas BCD tiek plaši izmantots produktos jaudas pārvaldības, analogo datu iegūšanas un jaudas izpildmehānismu jomā. Saskaņā ar ST oficiālo tīmekļa vietni, nobriedušā BCD tehnoloģija joprojām ir aptuveni 100 nm, 90 nm joprojām ir prototipa izstrādes stadijā, un 40 nm BCD tehnoloģija pieder pie nākamās paaudzes produktiem, kas tiek izstrādāti.