Zapraszamy na naszą stronę internetową, gdzie znajdą Państwo informacje o produktach i porady.
Nasza strona internetowa:https://www.vet-china.com/
Wraz z ciągłym postępem w procesach produkcji półprzewodników, w branży krąży słynne stwierdzenie zwane „prawem Moore’a”. Zostało ono zaproponowane przez Gordona Moore’a, jednego z założycieli firmy Intel, w 1965 roku. Jego sednem jest: liczba tranzystorów, które można umieścić w układzie scalonym, będzie się podwajać co około 18 do 24 miesięcy. Prawo to jest nie tylko analizą i prognozą trendów rozwojowych branży, ale także siłą napędową rozwoju procesów produkcji półprzewodników – wszystko ma na celu wytwarzanie tranzystorów o mniejszych rozmiarach i stabilnej wydajności. Od lat 50. XX wieku do chwili obecnej, czyli od około 70 lat, opracowano w sumie technologie BJT, MOSFET, CMOS, DMOS oraz hybrydowe BiCMOS i BCD.
1. Białko toczne
Tranzystor bipolarny (BJT), powszechnie znany jako trioda. Przepływ ładunku w tranzystorze wynika głównie z dyfuzji i dryfu nośników w złączu PN. Ponieważ występuje w nim przepływ zarówno elektronów, jak i dziur, tranzystor nazywany jest urządzeniem bipolarnym.
Patrząc wstecz na historię jego narodzin. Z powodu idei zastąpienia triod próżniowych wzmacniaczami półprzewodnikowymi, Shockley zaproponował przeprowadzenie badań podstawowych nad półprzewodnikami latem 1945 roku. W drugiej połowie 1945 roku Bell Labs utworzyło grupę badawczą zajmującą się fizyką ciała stałego, kierowaną przez Shockleya. W grupie tej zasiadali nie tylko fizycy, ale także inżynierowie obwodów i chemicy, w tym Bardeen, fizyk teoretyczny, i Brattain, fizyk doświadczalny. W grudniu 1947 roku doszło do wydarzenia, które późniejsze pokolenia uznały za kamień milowy – Bardeen i Brattain z powodzeniem wynaleźli pierwszy na świecie tranzystor ostrzowy z germanu ze wzmocnieniem prądu.
Pierwszy tranzystor punktowy Bardeena i Brattaina
Wkrótce potem, w 1948 roku, Shockley wynalazł tranzystor bipolarny. Zaproponował, że tranzystor może składać się z dwóch złączy pn, jednego spolaryzowanego w kierunku przewodzenia, a drugiego zaporowego, i uzyskał patent w czerwcu 1948 roku. W 1949 roku opublikował szczegółową teorię działania tranzystora złączowego. Ponad dwa lata później naukowcy i inżynierowie z Bell Labs opracowali proces masowej produkcji tranzystorów złączowych (kamień milowy w 1951 roku), otwierając nową erę w technologii elektronicznej. W uznaniu ich wkładu w wynalezienie tranzystorów, Shockley, Bardeen i Brattain wspólnie otrzymali w 1956 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Prosty schemat strukturalny tranzystora bipolarnego NPN
Jeśli chodzi o strukturę tranzystorów bipolarnych, powszechnie stosowanymi tranzystorami BJT są NPN i PNP. Szczegółową strukturę wewnętrzną przedstawiono na poniższym rysunku. Obszar półprzewodnika domieszkowego odpowiadający emiterowi to obszar emitera o wysokim stężeniu domieszek; obszar półprzewodnika domieszkowego odpowiadający bazie to obszar bazy o bardzo małej szerokości i bardzo niskim stężeniu domieszek; obszar półprzewodnika domieszkowego odpowiadający kolektorowi to obszar kolektora o dużej powierzchni i bardzo niskim stężeniu domieszek.
Zaletami technologii BJT są: duża szybkość reakcji, wysoka transprzewodność (zmiany napięcia wejściowego odpowiadają dużym zmianom prądu wyjściowego), niski poziom szumów, wysoka dokładność analogowa i duża zdolność do sterowania prądem; wadami są: niska integracja (głębokość pionowa nie może zostać zmniejszona poprzez rozmiar poprzeczny) i wysokie zużycie energii.
2. MOS
Tranzystor polowy typu metal-tlenek-półprzewodnik (Metal Oxide Semiconductor FET), czyli tranzystor polowy, który steruje przełączaniem kanału przewodzącego półprzewodnika (S) poprzez przyłożenie napięcia do bramki warstwy metalowej (M – aluminium) i źródła poprzez warstwę tlenku (O – warstwa izolacyjna SiO2), aby wytworzyć pole elektryczne. Ponieważ bramka i źródło oraz bramka i dren są izolowane warstwą izolacyjną SiO2, tranzystor MOSFET jest również nazywany tranzystorem polowym z izolowaną bramką. W 1962 roku Bell Labs oficjalnie ogłosiło sukces projektu, który stał się jednym z najważniejszych kamieni milowych w historii rozwoju półprzewodników i bezpośrednio położył podwaliny techniczne pod pojawienie się pamięci półprzewodnikowych.
Tranzystory MOSFET można podzielić na kanał P i kanał N w zależności od typu kanału przewodzącego. Ze względu na amplitudę napięcia bramkowego, tranzystory MOSFET można podzielić na: zubożone – gdy napięcie bramkowe wynosi zero, między drenem a źródłem występuje kanał przewodzący; wzbogacone – w przypadku tranzystorów z kanałem N (P) kanał przewodzący występuje tylko wtedy, gdy napięcie bramkowe jest większe (mniejsze) od zera, a tranzystory MOSFET mocy to głównie tranzystory wzbogacone kanałem N.
Główne różnice między tranzystorami MOS i triodami obejmują między innymi następujące kwestie:
-Triody są elementami bipolarnymi, ponieważ zarówno nośniki większościowe, jak i mniejszościowe uczestniczą w przewodzeniu w tym samym czasie; podczas gdy tranzystory MOS przewodzą prąd elektryczny tylko przez nośniki większościowe w półprzewodnikach i są także nazywane tranzystorami unipolarnymi.
-Triody to urządzenia sterowane prądem o stosunkowo dużym poborze mocy, podczas gdy tranzystory MOSFET to urządzenia sterowane napięciowo o małym poborze mocy.
Triody mają dużą rezystancję w stanie włączenia, podczas gdy lampy MOS mają małą rezystancję w stanie włączenia, wynoszącą zaledwie kilkaset miliomów. W obecnych urządzeniach elektrycznych lampy MOS są zazwyczaj stosowane jako przełączniki, głównie ze względu na stosunkowo wysoką sprawność MOS w porównaniu z triodami.
-Triody mają stosunkowo korzystną cenę, a lampy MOS są stosunkowo drogie.
- Obecnie lampy MOS zastępują triody w większości zastosowań. Tylko w niektórych sytuacjach o niskim poborze mocy lub w sytuacjach, gdy nie ma to znaczenia, będziemy stosować triody, biorąc pod uwagę ich przewagę cenową.
3. Matryca CMOS
Komplementarny półprzewodnik metalowo-tlenkowy: Technologia CMOS wykorzystuje komplementarne tranzystory półprzewodnikowe metalowo-tlenkowe (MOSFET) typu p i n do budowy urządzeń elektronicznych i układów logicznych. Poniższy rysunek przedstawia typowy inwerter CMOS, który służy do konwersji „1→0” lub „0→1”.
Poniższy rysunek przedstawia typowy przekrój poprzeczny tranzystora CMOS. Lewa strona to tranzystor NMS, a prawa strona to tranzystor PMOS. Bieguny G obu tranzystorów MOS są połączone jako wspólne wejście bramki, a bieguny D jako wspólne wyjście drenu. Napięcie VDD jest podłączone do źródła tranzystora PMOS, a napięcie VSS do źródła tranzystora NMOS.
W 1963 roku Wanlass i Sah z Fairchild Semiconductor wynaleźli układ CMOS. W 1968 roku American Radio Corporation (RCA) opracowała pierwszy układ scalony CMOS i od tego czasu układ ten osiągnął ogromny rozwój. Jego zaletami są niskie zużycie energii i wysoki poziom integracji (proces STI/LOCOS może dodatkowo poprawić integrację); wadą jest występowanie efektu blokady (zaporowe spolaryzowanie złącza PN służy jako izolacja między lampami MOS, a interferencja może łatwo utworzyć wzmocnioną pętlę i uszkodzić układ).
4. DMOS
Półprzewodnik metalowo-tlenkowy z podwójną dyfuzją: Podobnie jak w przypadku zwykłych tranzystorów MOSFET, również posiada źródło, dren, bramkę i inne elektrody, ale napięcie przebicia na końcu drenu jest wysokie. Wykorzystywany jest proces podwójnej dyfuzji.
Poniższy rysunek przedstawia przekrój poprzeczny standardowego układu DMOS z kanałem N. Ten typ układu DMOS jest zazwyczaj stosowany w aplikacjach przełączających po stronie niskiego napięcia, gdzie źródło tranzystora MOSFET jest podłączone do masy. Istnieje również układ DMOS z kanałem P. Ten typ układu DMOS jest zazwyczaj stosowany w aplikacjach przełączających po stronie wysokiego napięcia, gdzie źródło tranzystora MOSFET jest podłączone do dodatniego napięcia. Podobnie jak w przypadku układu CMOS, układy DMOS komplementarne wykorzystują tranzystory MOSFET z kanałem N i kanałem P na tym samym chipie, aby zapewnić komplementarne funkcje przełączania.
W zależności od kierunku kanału, DMOS można podzielić na dwa typy, a mianowicie pionowy podwójnie dyfuzyjny tranzystor polowy z półprzewodnikiem metalowo-tlenkowym VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET) i boczny podwójnie dyfuzyjny tranzystor polowy z półprzewodnikiem metalowo-tlenkowym LDMOS (Lateral Double-Diffused MOSFET).
Urządzenia VDMOS są zaprojektowane z kanałem pionowym. W porównaniu z bocznymi urządzeniami DMOS, charakteryzują się one wyższym napięciem przebicia i większym prądem przebicia, ale ich rezystancja w stanie przewodzenia jest nadal stosunkowo duża.
Tranzystory LDMOS są zaprojektowane z kanałem bocznym i są asymetrycznymi tranzystorami MOSFET mocy. W porównaniu z pionowymi tranzystorami DMOS, charakteryzują się niższą rezystancją w stanie przewodzenia i szybszymi prędkościami przełączania.
W porównaniu z tradycyjnymi tranzystorami MOSFET, DMOS charakteryzuje się większą pojemnością i niższą rezystancją, dlatego jest szeroko stosowany w urządzeniach elektronicznych dużej mocy, takich jak przełączniki zasilania, elektronarzędzia i napędy pojazdów elektrycznych.
5. BiCMOS
Bipolar CMOS to technologia, która integruje układy CMOS i bipolarne na tym samym chipie jednocześnie. Jej podstawową ideą jest wykorzystanie układów CMOS jako głównego obwodu i dodanie układów lub obwodów bipolarnych w przypadku konieczności sterowania dużymi obciążeniami pojemnościowymi. Dlatego układy BiCMOS łączą zalety wysokiej integracji i niskiego poboru mocy układów CMOS, a także wysoką prędkość i możliwości sterowania dużym prądem układów BJT.
Technologia BiCMOS SiGe (krzem-german) firmy STMicroelectronics integruje elementy RF, analogowe i cyfrowe na jednym układzie scalonym, co pozwala znacząco ograniczyć liczbę komponentów zewnętrznych i zoptymalizować zużycie energii.
6. BCD
Bipolar-CMOS-DMOS – technologia ta pozwala na tworzenie układów bipolarnych, CMOS i DMOS na tym samym chipie. Jest to proces BCD, który został pomyślnie opracowany przez firmę STMicroelectronics (ST) w 1986 r.
Technologia bipolarna nadaje się do układów analogowych, technologia CMOS do układów cyfrowych i logicznych, a technologia DMOS do urządzeń mocy i wysokiego napięcia. BCD łączy zalety tych trzech technologii. Dzięki ciągłemu udoskonalaniu, technologia BCD jest szeroko stosowana w produktach z zakresu zarządzania energią, akwizycji danych analogowych i siłowników mocy. Według oficjalnej strony internetowej firmy ST, dojrzały proces BCD to nadal około 100 nm, 90 nm jest wciąż w fazie prototypowej, a technologia BCD 40 nm należy do produktów nowej generacji, będących w fazie rozwoju.
Czas publikacji: 10.09.2024