Добро пожаловать на наш сайт, где вы найдете информацию о продукции и получите консультацию.
Наш сайт:https://www.vet-china.com/
По мере того, как полупроводниковые производственные процессы продолжают совершать прорывы, в отрасли циркулирует известное утверждение, называемое «законом Мура». Он был предложен Гордоном Муром, одним из основателей Intel, в 1965 году. Его основная суть заключается в следующем: количество транзисторов, которые могут быть размещены на интегральной схеме, будет удваиваться примерно каждые 18-24 месяца. Этот закон является не только анализом и прогнозированием тенденций развития отрасли, но и движущей силой развития полупроводниковых производственных процессов — все направлено на создание транзисторов меньшего размера и со стабильными характеристиками. С 1950-х годов по настоящее время, примерно за 70 лет, были разработаны технологии BJT, MOSFET, CMOS, DMOS, а также гибридные BiCMOS и BCD.
1. Биполярный транзистор
Биполярный транзистор (БТ), обычно называемый триодом. Поток заряда в транзисторе в основном обусловлен диффузией и дрейфовым движением носителей заряда на PN-переходе. Поскольку в этом процессе участвуют как электроны, так и дырки, его называют биполярным устройством.
Оглядываясь на историю его зарождения. В связи с идеей замены вакуумных триодов твердотельными усилителями, Шокли летом 1945 года предложил провести фундаментальные исследования полупроводников. Во второй половине 1945 года в Bell Labs была создана исследовательская группа по физике твердого тела под руководством Шокли. В эту группу входили не только физики, но и инженеры-схемотехники и химики, в том числе Бардин, физик-теоретик, и Браттейн, физик-экспериментатор. В декабре 1947 года произошло блестящее событие, которое последующие поколения сочли важной вехой: Бардин и Браттейн успешно изобрели первый в мире германиевый точечно-контактный транзистор с усилением тока.
Первый точечно-контактный транзистор Бардина и Браттейна
Вскоре после этого, в 1948 году, Шокли изобрел биполярный транзистор. Он предположил, что транзистор может состоять из двух p-n переходов, один из которых смещен в прямом направлении, а другой — в обратном, и получил патент в июне 1948 года. В 1949 году он опубликовал подробную теорию работы p-n транзистора. Более чем через два года ученые и инженеры Bell Labs разработали процесс массового производства p-n транзисторов (знаковый момент в 1951 году), открыв новую эру электронных технологий. В знак признания их вклада в изобретение транзисторов Шокли, Бардин и Браттейн совместно получили Нобелевскую премию по физике 1956 года.
Простая структурная схема NPN-биполярного транзистора
Что касается структуры биполярных транзисторов, то наиболее распространенными являются NPN и PNP. Подробная внутренняя структура показана на рисунке ниже. Область примесного полупроводника, соответствующая эмиттеру, имеет высокую концентрацию легирования; область примесного полупроводника, соответствующая базе, имеет очень малую ширину и очень низкую концентрацию легирования; область примесного полупроводника, соответствующая коллектору, имеет большую площадь и очень низкую концентрацию легирования.
Преимуществами технологии биполярных транзисторов являются высокая скорость отклика, высокая крутизна характеристики (изменения входного напряжения соответствуют большим изменениям выходного тока), низкий уровень шума, высокая аналоговая точность и высокая токовая нагрузочная способность; недостатками являются низкая степень интеграции (вертикальная глубина не может быть уменьшена за счет боковых размеров) и высокое энергопотребление.
2. MOS
Полевой транзистор с металлооксидным полупроводником (MOSFET) — это полевой транзистор, управляющий переключением проводящего канала полупроводника (S) путем подачи напряжения на затвор металлического слоя (M — алюминиевый металл) и исток через оксидный слой (O — изолирующий слой SiO2) для создания эффекта электрического поля. Поскольку затвор и исток, а также затвор и сток изолированы изолирующим слоем SiO2, MOSFET также называют полевым транзистором с изолированным затвором. В 1962 году компания Bell Labs официально объявила об успешной разработке, которая стала одной из важнейших вех в истории развития полупроводников и непосредственно заложила техническую основу для появления полупроводниковой памяти.
В зависимости от типа проводящего канала, MOSFET можно разделить на P-канальные и N-канальные. По амплитуде напряжения на затворе их можно разделить на: обедненный тип — когда напряжение на затворе равно нулю, между стоком и истоком существует проводящий канал; обогащенный тип — для N (P)-канальных устройств проводящий канал существует только тогда, когда напряжение на затворе больше (меньше) нуля, и силовые MOSFET в основном относятся к N-канальному обогащенному типу.
Основные различия между МОП-транзисторами и триодами включают, помимо прочего, следующие моменты:
Триоды — это биполярные устройства, поскольку в проводимости одновременно участвуют как основные, так и неосновные носители заряда; в то время как МОП-транзистор проводит электричество только через основные носители заряда в полупроводниках и также называется униполярным транзистором.
Триоды — это устройства с управлением по току, обладающие относительно высоким энергопотреблением, тогда как МОП-транзисторы — это устройства с управлением по напряжению, обладающие низким энергопотреблением.
Триоды обладают большим сопротивлением в открытом состоянии, в то время как МОП-транзисторы имеют малое сопротивление в открытом состоянии, всего несколько сотен миллиом. В современных электротехнических приборах МОП-транзисторы обычно используются в качестве переключателей, главным образом потому, что КПД МОП-транзисторов относительно высок по сравнению с триодами.
Триоды имеют относительно выгодную стоимость, а МОП-лампы — относительно высокую.
В настоящее время МОП-лампы в большинстве случаев заменяют триоды. Триоды используются лишь в некоторых случаях, когда мощность не имеет значения или она не зависит от мощности, учитывая ценовое преимущество.
3. CMOS
Комплементарный металлооксидный полупроводник: в технологии CMOS используются комплементарные p-типа и n-типа металлооксидные полупроводниковые транзисторы (MOSFET) для создания электронных устройств и логических схем. На следующем рисунке показан распространенный CMOS-инвертор, используемый для преобразования "1→0" или "0→1".
На следующем рисунке показано типичное поперечное сечение КМОП-транзистора. Левая сторона — N-МОП-транзистор, правая — PMOS-транзистор. Полюса G двух MOS-транзисторов соединены вместе как общий входной сигнал, а полюса D — как общий выходной сигнал стока. VDD подключен к истоку PMOS-транзистора, а VSS — к истоку N-МОП-транзистора.
В 1963 году Уонласс и Сах из компании Fairchild Semiconductor изобрели схему на основе КМОП-технологии. В 1968 году компания American Radio Corporation (RCA) разработала первый продукт на основе КМОП-интегральной схемы, и с тех пор КМОП-технология достигла значительного развития. Ее преимуществами являются низкое энергопотребление и высокая степень интеграции (процесс STI/LOCOS позволяет еще больше улучшить интеграцию); ее недостатком является наличие эффекта блокировки (обратное смещение PN-перехода используется в качестве изоляции между МОП-транзисторами, и помехи могут легко образовать усиленную петлю и вывести схему из строя).
4. DMOS
Металлооксидный полупроводник с двойной диффузией: По аналогии со структурой обычных MOSFET-транзисторов, он также имеет исток, сток, затвор и другие электроды, но напряжение пробоя на стоке высокое. Используется процесс двойной диффузии.
На рисунке ниже показано поперечное сечение стандартного N-канального DMOS-транзистора. Этот тип DMOS-транзистора обычно используется в низковольтных схемах переключения, где исток MOSFET подключен к земле. Кроме того, существует P-канальный DMOS-транзистор. Этот тип DMOS-транзистора обычно используется в высоковольтных схемах переключения, где исток MOSFET подключен к положительному напряжению. Аналогично CMOS, комплементарные DMOS-транзисторы используют N-канальные и P-канальные MOSFET-транзисторы на одном кристалле для обеспечения комплементарных функций переключения.
В зависимости от направления канала, DMOS-транзисторы можно разделить на два типа: вертикальные полевые транзисторы с двойной диффузией на основе оксида металла и полупроводника (VDMOS, Vertical Double-Diffused MOSFET) и боковые полевые транзисторы с двойной диффузией на основе оксида металла и полупроводника (LDMOS, Lateral Double-Diffused MOSFET).
VDMOS-транзисторы имеют вертикальный канал. По сравнению с поперечными DMOS-транзисторами, они обладают более высоким напряжением пробоя и способностью выдерживать больший ток, но сопротивление в открытом состоянии всё ещё относительно велико.
LDMOS-транзисторы имеют боковой канал и представляют собой асимметричные силовые MOSFET-транзисторы. По сравнению с вертикальными DMOS-транзисторами, они обеспечивают более низкое сопротивление в открытом состоянии и более высокую скорость переключения.
По сравнению с традиционными MOSFET-транзисторами, DMOS-транзисторы обладают большей емкостью в открытом состоянии и меньшим сопротивлением, поэтому они широко используются в мощных электронных устройствах, таких как силовые переключатели, электроинструменты и электроприводы для транспортных средств.
5. BiCMOS
Биполярная КМОП-технология — это технология, которая объединяет КМОП- и биполярные транзисторы на одном кристалле одновременно. Её основная идея заключается в использовании КМОП-транзисторов в качестве основной схемы, а биполярные транзисторы или схемы добавляются там, где требуется управление большими емкостными нагрузками. Таким образом, схемы на основе биполярной КМОП-технологии обладают преимуществами высокой степени интеграции и низкого энергопотребления КМОП-схем, а также преимуществами высокой скорости и мощных токовых возможностей схем на биполярных транзисторах.
Технология BiCMOS SiGe (кремний-германий) от STMicroelectronics объединяет радиочастотные, аналоговые и цифровые компоненты на одном кристалле, что позволяет значительно сократить количество внешних компонентов и оптимизировать энергопотребление.
6. BCD
Технология Bipolar-CMOS-DMOS позволяет создавать биполярные, CMOS и DMOS устройства на одном кристалле, этот процесс называется BCD и был впервые успешно разработан компанией STMicroelectronics (ST) в 1986 году.
Биполярные транзисторы (BCD) подходят для аналоговых схем, CMOS — для цифровых и логических схем, а DMOS — для силовых и высоковольтных устройств. BCD сочетает в себе преимущества всех трех. Благодаря постоянному совершенствованию, BCD широко используется в продуктах в области управления питанием, аналогового сбора данных и силовых исполнительных устройств. Согласно официальному сайту ST, зрелый техпроцесс для BCD все еще находится на уровне около 100 нм, 90 нм — на стадии прототипирования, а технология 40 нм BCD относится к продуктам следующего поколения, находящимся в разработке.
Дата публикации: 10 сентября 2024 г.