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À medida que os processos de fabricação de semicondutores continuam a apresentar avanços significativos, uma famosa afirmação chamada "Lei de Moore" tem circulado na indústria. Ela foi proposta por Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, em 1965. Seu princípio fundamental é o seguinte: o número de transistores que podem ser acomodados em um circuito integrado dobra aproximadamente a cada 18 a 24 meses. Essa lei não é apenas uma análise e previsão da tendência de desenvolvimento da indústria, mas também uma força motriz para o desenvolvimento dos processos de fabricação de semicondutores – tudo visa produzir transistores com tamanho menor e desempenho estável. Da década de 1950 até o presente, cerca de 70 anos, foram desenvolvidas tecnologias como BJT, MOSFET, CMOS, DMOS e as tecnologias híbridas BiCMOS e BCD.
1. BJT
Transistor de junção bipolar (BJT), comumente conhecido como triodo. O fluxo de carga no transistor deve-se principalmente à difusão e ao movimento de deriva dos portadores na junção PN. Como envolve o fluxo tanto de elétrons quanto de lacunas, é chamado de dispositivo bipolar.
Relembrando a história de seu nascimento. Devido à ideia de substituir os triodos a vácuo por amplificadores de estado sólido, Shockley propôs realizar pesquisas básicas sobre semicondutores no verão de 1945. No segundo semestre de 1945, os Laboratórios Bell estabeleceram um grupo de pesquisa em física do estado sólido liderado por Shockley. Nesse grupo, havia não apenas físicos, mas também engenheiros de circuitos e químicos, incluindo Bardeen, um físico teórico, e Brattain, um físico experimental. Em dezembro de 1947, um evento que seria considerado um marco pelas gerações posteriores aconteceu brilhantemente: Bardeen e Brattain inventaram com sucesso o primeiro transistor de germânio com contato pontual e amplificação de corrente do mundo.
O primeiro transistor de contato pontual de Bardeen e Brattain
Pouco tempo depois, em 1948, Shockley inventou o transistor de junção bipolar. Ele propôs que o transistor poderia ser composto por duas junções pn, uma polarizada diretamente e a outra reversamente, e obteve uma patente em junho de 1948. Em 1949, publicou a teoria detalhada do funcionamento do transistor de junção. Mais de dois anos depois, cientistas e engenheiros dos Laboratórios Bell desenvolveram um processo para alcançar a produção em massa de transistores de junção (um marco em 1951), inaugurando uma nova era da tecnologia eletrônica. Em reconhecimento às suas contribuições para a invenção dos transistores, Shockley, Bardeen e Brattain receberam conjuntamente o Prêmio Nobel de Física de 1956.
Diagrama estrutural simplificado de um transistor bipolar de junção NPN
Em relação à estrutura dos transistores bipolares de junção (BJTs), os tipos mais comuns são NPN e PNP. A estrutura interna detalhada é mostrada na figura abaixo. A região semicondutora com impurezas correspondente ao emissor é a região do emissor, que possui alta concentração de dopagem; a região semicondutora com impurezas correspondente à base é a região da base, que possui uma largura muito fina e uma concentração de dopagem muito baixa; a região semicondutora com impurezas correspondente ao coletor é a região do coletor, que possui uma grande área e uma concentração de dopagem muito baixa.
As vantagens da tecnologia BJT são alta velocidade de resposta, alta transcondutância (variações na tensão de entrada correspondem a grandes variações na corrente de saída), baixo ruído, alta precisão analógica e forte capacidade de condução de corrente; as desvantagens são baixa integração (a profundidade vertical não pode ser reduzida com o tamanho lateral) e alto consumo de energia.
2. MOS
O Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET) é um transistor de efeito de campo que controla a comutação do canal condutor semicondutor (S) aplicando tensão ao gate da camada metálica (M - alumínio) e ao source através da camada de óxido (O - camada isolante de SiO2), gerando assim o efeito de campo elétrico. Como o gate e o source, e o gate e o drain, são isolados pela camada isolante de SiO2, o MOSFET também é chamado de transistor de efeito de campo com gate isolado. Em 1962, os Laboratórios Bell anunciaram oficialmente o desenvolvimento bem-sucedido do MOSFET, que se tornou um dos marcos mais importantes na história do desenvolvimento de semicondutores e lançou as bases técnicas para o advento da memória semicondutora.
Os MOSFETs podem ser divididos em canal P e canal N de acordo com o tipo de canal condutor. De acordo com a amplitude da tensão de porta, podem ser divididos em: tipo depleção - quando a tensão de porta é zero, existe um canal condutor entre o dreno e a fonte; tipo de enriquecimento - para dispositivos de canal N (P), existe um canal condutor apenas quando a tensão de porta é maior (menor) que zero, sendo os MOSFETs de potência principalmente do tipo de enriquecimento de canal N.
As principais diferenças entre MOS e triodo incluem, mas não se limitam aos seguintes pontos:
Os triodos são dispositivos bipolares porque tanto os portadores majoritários quanto os minoritários participam da condução simultaneamente; enquanto o MOS conduz eletricidade apenas através dos portadores majoritários nos semicondutores, sendo também chamado de transistor unipolar.
-Os triodos são dispositivos controlados por corrente com consumo de energia relativamente alto; enquanto os MOSFETs são dispositivos controlados por tensão com baixo consumo de energia.
Os triodos possuem alta resistência de condução, enquanto os tubos MOS têm baixa resistência de condução, de apenas algumas centenas de miliohms. Em dispositivos elétricos atuais, os tubos MOS são geralmente usados como chaves, principalmente porque a eficiência dos MOS é relativamente alta em comparação com os triodos.
-Os triodos têm um custo relativamente vantajoso, enquanto os tubos MOS são relativamente caros.
Atualmente, as válvulas MOS são usadas para substituir os triodos na maioria dos cenários. Somente em alguns casos de baixa potência ou com pouca sensibilidade à potência, usaremos triodos, considerando a vantagem de preço.
3. CMOS
Semicondutor de Óxido Metálico Complementar: A tecnologia CMOS utiliza transistores semicondutores de óxido metálico (MOSFETs) complementares do tipo p e do tipo n para construir dispositivos eletrônicos e circuitos lógicos. A figura a seguir mostra um inversor CMOS comum, usado para conversão "1→0" ou "0→1".
A figura a seguir mostra uma seção transversal típica de um transistor CMOS. O lado esquerdo representa um NMOS e o lado direito, um PMOS. Os polos G dos dois MOSFETs estão conectados entre si como uma entrada de porta comum, e os polos D estão conectados entre si como uma saída de dreno comum. VDD está conectado ao source do PMOS e VSS está conectado ao source do NMOS.
Em 1963, Wanlass e Sah, da Fairchild Semiconductor, inventaram o circuito CMOS. Em 1968, a American Radio Corporation (RCA) desenvolveu o primeiro produto de circuito integrado CMOS e, desde então, o circuito CMOS alcançou grande desenvolvimento. Suas vantagens são o baixo consumo de energia e a alta integração (o processo STI/LOCOS pode melhorar ainda mais a integração); sua desvantagem é a existência de um efeito de bloqueio (a polarização reversa da junção PN é usada como isolamento entre os transistores MOS, e a interferência pode facilmente formar um loop amplificado e queimar o circuito).
4. DMOS
Semicondutor de óxido metálico de dupla difusão: Semelhante à estrutura dos dispositivos MOSFET comuns, também possui eletrodos de fonte, dreno, porta e outros, mas a tensão de ruptura no dreno é alta. Utiliza-se o processo de dupla difusão.
A figura abaixo mostra a seção transversal de um DMOS de canal N padrão. Este tipo de dispositivo DMOS é geralmente usado em aplicações de chaveamento de baixa tensão, onde o terminal de fonte do MOSFET é conectado ao terra. Além disso, existe o DMOS de canal P. Este tipo de dispositivo DMOS é geralmente usado em aplicações de chaveamento de alta tensão, onde o terminal de fonte do MOSFET é conectado a uma tensão positiva. De forma semelhante ao CMOS, os dispositivos DMOS complementares utilizam MOSFETs de canal N e de canal P no mesmo chip para fornecer funções de chaveamento complementares.
Dependendo da direção do canal, o DMOS pode ser dividido em dois tipos: o transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor de dupla difusão vertical (VDMOS - Vertical Double-Diffused MOSFET) e o transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor de dupla difusão lateral (LDMOS - Lateral Double-Diffused MOSFET).
Os dispositivos VDMOS são projetados com um canal vertical. Comparados aos dispositivos DMOS laterais, eles possuem maior tensão de ruptura e capacidade de condução de corrente, mas a resistência em estado ligado ainda é relativamente alta.
Os dispositivos LDMOS são projetados com um canal lateral e são MOSFETs de potência assimétricos. Comparados aos dispositivos DMOS verticais, eles permitem menor resistência de condução e velocidades de comutação mais rápidas.
Em comparação com os MOSFETs tradicionais, o DMOS possui maior capacitância de condução e menor resistência, sendo amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos de alta potência, como interruptores de energia, ferramentas elétricas e acionamentos de veículos elétricos.
5. BiCMOS
O CMOS bipolar é uma tecnologia que integra dispositivos CMOS e bipolares no mesmo chip simultaneamente. Sua ideia básica é utilizar dispositivos CMOS como o circuito principal e adicionar dispositivos bipolares ou circuitos onde grandes cargas capacitivas precisam ser acionadas. Portanto, os circuitos BiCMOS possuem as vantagens de alta integração e baixo consumo de energia dos circuitos CMOS, e as vantagens de alta velocidade e forte capacidade de acionamento de corrente dos circuitos BJT.
A tecnologia BiCMOS SiGe (silício-germânio) da STMicroelectronics integra componentes de RF, analógicos e digitais em um único chip, o que pode reduzir significativamente o número de componentes externos e otimizar o consumo de energia.
6. BCD
Bipolar-CMOS-DMOS, essa tecnologia permite fabricar dispositivos bipolares, CMOS e DMOS no mesmo chip, chamada de processo BCD, que foi desenvolvida com sucesso pela primeira vez pela STMicroelectronics (ST) em 1986.
A tecnologia bipolar é adequada para circuitos analógicos, a CMOS para circuitos digitais e lógicos, e a DMOS para dispositivos de potência e alta tensão. A BCD combina as vantagens das três. Após aprimoramentos contínuos, a BCD é amplamente utilizada em produtos nas áreas de gerenciamento de energia, aquisição de dados analógicos e atuadores de potência. De acordo com o site oficial da ST, o processo de fabricação BCD está em torno de 100 nm, o de 90 nm ainda está em fase de protótipo e a tecnologia BCD de 40 nm pertence à sua próxima geração de produtos em desenvolvimento.
Data da publicação: 10 de setembro de 2024