ยินดีต้อนรับสู่เว็บไซต์ของเราสำหรับข้อมูลผลิตภัณฑ์และการให้คำปรึกษา
เว็บไซต์ของเรา:https://www.vet-china.com/
เนื่องจากกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จึงมีคำกล่าวที่โด่งดังในวงการอุตสาหกรรมว่า "กฎของมัวร์" ซึ่งเสนอโดยกอร์ดอน มัวร์ หนึ่งในผู้ก่อตั้งอินเทล ในปี 1965 เนื้อหาหลักของกฎนี้คือ จำนวนทรานซิสเตอร์ที่สามารถบรรจุลงในวงจรรวมจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ ประมาณ 18 ถึง 24 เดือน กฎนี้ไม่เพียงแต่เป็นการวิเคราะห์และทำนายแนวโน้มการพัฒนาของอุตสาหกรรมเท่านั้น แต่ยังเป็นแรงผลักดันสำคัญสำหรับการพัฒนาของกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ด้วย โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพการทำงานที่เสถียร ตั้งแต่ทศวรรษ 1950 จนถึงปัจจุบัน รวมแล้วประมาณ 70 ปี ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตทรานซิสเตอร์หลากหลายชนิด ได้แก่ BJT, MOSFET, CMOS, DMOS และแบบไฮบริด BiCMOS และ BCD
1. BJT
ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า ไตรโอด การไหลของประจุในทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากการแพร่และการเคลื่อนที่แบบดริฟต์ของพาหะที่รอยต่อ PN เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการไหลของทั้งอิเล็กตรอนและโฮล จึงเรียกว่าอุปกรณ์ไบโพลาร์
ย้อนกลับไปดูประวัติความเป็นมาของการกำเนิด เนื่องจากแนวคิดที่จะแทนที่หลอดสุญญากาศด้วยตัวขยายสัญญาณแบบโซลิดสเตท ช็อกลีย์จึงเสนอให้ทำการวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำในช่วงฤดูร้อนปี 1945 ในช่วงครึ่งหลังของปี 1945 ห้องปฏิบัติการเบลล์ได้จัดตั้งกลุ่มวิจัยฟิสิกส์ของของแข็งขึ้น โดยมีช็อกลีย์เป็นหัวหน้ากลุ่ม ในกลุ่มนี้ไม่เพียงแต่มีนักฟิสิกส์เท่านั้น แต่ยังมีวิศวกรวงจรและนักเคมี รวมถึงบาร์ดีน นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี และแบรตเทน นักฟิสิกส์เชิงทดลอง ในเดือนธันวาคมปี 1947 เหตุการณ์ที่คนรุ่นหลังถือว่าเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญได้เกิดขึ้นอย่างยอดเยี่ยม นั่นคือ บาร์ดีนและแบรตเทนประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสเจอร์มาเนียมตัวแรกของโลกที่มีการขยายกระแสไฟฟ้า
ทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสตัวแรกของ Bardeen และ Brattain
หลังจากนั้นไม่นาน ในปี 1948 ช็อกลีย์ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันขึ้น เขาเสนอว่าทรานซิสเตอร์สามารถประกอบด้วยจังก์ชัน pn สองอัน อันหนึ่งรับไบแอสตรงและอีกอันรับไบแอสกลับ และได้รับสิทธิบัตรในเดือนมิถุนายน ปี 1948 ในปี 1949 เขาได้ตีพิมพ์ทฤษฎีโดยละเอียดเกี่ยวกับการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบจังก์ชัน กว่าสองปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่เบลล์แล็บส์ได้พัฒนาวิธีการผลิตทรานซิสเตอร์แบบจังก์ชันจำนวนมาก (ความสำเร็จครั้งสำคัญในปี 1951) ซึ่งเป็นการเปิดยุคใหม่ของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อเป็นการยกย่องผลงานของพวกเขาในการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ ช็อกลีย์ บาร์ดีน และแบรตเทน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันในปี 1956
แผนภาพโครงสร้างอย่างง่ายของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ NPN
สำหรับโครงสร้างของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันนั้น BJT ที่พบได้ทั่วไปคือ NPN และ PNP โครงสร้างภายในโดยละเอียดแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง บริเวณสารกึ่งตัวนำเจือปนที่สอดคล้องกับตัวปล่อยคือบริเวณตัวปล่อย ซึ่งมีความเข้มข้นของการเจือปนสูง บริเวณสารกึ่งตัวนำเจือปนที่สอดคล้องกับฐานคือบริเวณฐาน ซึ่งมีความกว้างบางมากและมีความเข้มข้นของการเจือปนต่ำมาก บริเวณสารกึ่งตัวนำเจือปนที่สอดคล้องกับตัวรับคือบริเวณตัวรับ ซึ่งมีพื้นที่ขนาดใหญ่และมีความเข้มข้นของการเจือปนต่ำมาก
ข้อดีของเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์แบบ BJT ได้แก่ ความเร็วในการตอบสนองสูง ค่าการนำไฟฟ้าสูง (การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าขาออกอย่างมาก) สัญญาณรบกวนต่ำ ความแม่นยำของสัญญาณอนาล็อกสูง และความสามารถในการขับกระแสไฟฟ้าสูง ส่วนข้อเสียคือ การรวมวงจรต่ำ (ความลึกในแนวตั้งไม่สามารถลดลงได้เมื่อขนาดในแนวนอนเพิ่มขึ้น) และการใช้พลังงานสูง
2. MOS
ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (Metal Oxide Semiconductor FET) คือทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กที่ควบคุมการสลับช่องนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ (S) โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังเกตของชั้นโลหะ (M-โลหะอะลูมิเนียม) และแหล่งกำเนิดผ่านชั้นออกไซด์ (O-ชั้นฉนวน SiO2) เพื่อสร้างสนามไฟฟ้า เนื่องจากเกตและแหล่งกำเนิด รวมถึงเกตและเดรน ถูกแยกออกจากกันด้วยชั้นฉนวน SiO2 ดังนั้น MOSFET จึงถูกเรียกว่าทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบเกตฉนวนด้วยเช่นกัน ในปี 1962 ห้องปฏิบัติการเบลล์ได้ประกาศความสำเร็จในการพัฒนาอย่างเป็นทางการ ซึ่งกลายเป็นหนึ่งในเหตุการณ์สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์การพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ และวางรากฐานทางเทคนิคโดยตรงสำหรับการมาถึงของหน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์
MOSFET สามารถแบ่งออกเป็นแบบ P-channel และ N-channel ตามชนิดของช่องทางการนำไฟฟ้า และตามขนาดของแรงดันเกต สามารถแบ่งได้เป็น: แบบพร่อง (Depletion type) - เมื่อแรงดันเกตเป็นศูนย์ จะมีช่องทางการนำไฟฟ้าระหว่างเดรนและซอร์ส; แบบเพิ่มแรงดัน (Enhancement type) - สำหรับอุปกรณ์ N-channel (P-channel) จะมีช่องทางการนำไฟฟ้าเฉพาะเมื่อแรงดันเกตมากกว่า (น้อยกว่า) ศูนย์เท่านั้น โดย MOSFET กำลังสูงส่วนใหญ่เป็นแบบ N-channel enhancement
ความแตกต่างหลักระหว่าง MOS และไตรโอด ได้แก่ แต่ไม่จำกัดเพียงประเด็นต่อไปนี้:
- ทรานซิสเตอร์แบบไตรโอดเป็นอุปกรณ์แบบไบโพลาร์ เนื่องจากทั้งตัวนำส่วนใหญ่และตัวนำส่วนน้อยมีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้าพร้อมกัน ในขณะที่ทรานซิสเตอร์แบบ MOS นำไฟฟ้าผ่านตัวนำส่วนใหญ่ในสารกึ่งตัวนำเท่านั้น และเรียกอีกอย่างว่าทรานซิสเตอร์แบบยูนิโพลาร์
- ไตรโอดเป็นอุปกรณ์ควบคุมด้วยกระแสไฟฟ้าที่มีการใช้พลังงานค่อนข้างสูง ในขณะที่ MOSFET เป็นอุปกรณ์ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าที่มีการใช้พลังงานต่ำ
-หลอดไตรโอดมีความต้านทานขณะเปิดสูง ในขณะที่หลอด MOS มีความต้านทานขณะเปิดต่ำ เพียงไม่กี่ร้อยมิลลิโอห์ม ในอุปกรณ์ไฟฟ้าปัจจุบัน หลอด MOS มักถูกใช้เป็นสวิตช์เป็นหลัก เนื่องจากประสิทธิภาพของ MOS ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับหลอดไตรโอด
-หลอดไตรโอดมีต้นทุนที่ค่อนข้างได้เปรียบ ในขณะที่หลอด MOS มีราคาค่อนข้างสูง
-ปัจจุบัน หลอด MOS ถูกนำมาใช้แทนหลอดไตรโอดในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ยกเว้นในบางกรณีที่ใช้พลังงานต่ำหรือไม่คำนึงถึงพลังงานมากนัก ที่เราจะยังคงใช้หลอดไตรโอดเนื่องจากข้อได้เปรียบด้านราคา
3. CMOS
เทคโนโลยี CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ใช้ทรานซิสเตอร์ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Transistor) ชนิด p และชนิด n เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจรลอจิก รูปต่อไปนี้แสดงอินเวอร์เตอร์ CMOS ทั่วไป ซึ่งใช้สำหรับการแปลง "1→0" หรือ "0→1"
รูปต่อไปนี้เป็นภาพตัดขวางของวงจร CMOS ทั่วไป ด้านซ้ายเป็น NMOS และด้านขวาเป็น PMOS ขั้ว G ของ MOS ทั้งสองเชื่อมต่อกันเป็นอินพุตเกตทั่วไป และขั้ว D เชื่อมต่อกันเป็นเอาต์พุตเดรนทั่วไป VDD เชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดของ PMOS และ VSS เชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดของ NMOS
ในปี 1963 Wanlass และ Sah จาก Fairchild Semiconductor ได้คิดค้นวงจร CMOS ขึ้นมา ในปี 1968 บริษัท American Radio Corporation (RCA) ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์วงจรรวม CMOS ตัวแรก และนับตั้งแต่นั้นมา วงจร CMOS ก็ได้รับการพัฒนาอย่างมาก ข้อดีของมันคือการใช้พลังงานต่ำและการรวมวงจรสูง (กระบวนการ STI/LOCOS สามารถปรับปรุงการรวมวงจรให้ดียิ่งขึ้นได้) ข้อเสียคือการเกิดปรากฏการณ์ล็อกเอฟเฟกต์ (การใช้ไบแอสย้อนกลับของ PN junction เป็นฉนวนระหว่างท่อ MOS และการรบกวนสามารถก่อให้เกิดลูปที่เพิ่มขึ้นและทำให้วงจรเสียหายได้ง่าย)
4. ดีมอส
สารกึ่งตัวนำออกไซด์โลหะแบบแพร่กระจายสองชั้น (Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor หรือ MOSFET): มีโครงสร้างคล้ายกับ MOSFET ทั่วไป คือมีขั้วแหล่งกำเนิด (source), ขั้วระบาย (drain), ขั้วประตู (gate) และขั้วอื่นๆ แต่แรงดันพังทลายของขั้วระบายจะสูง จึงใช้กระบวนการแพร่กระจายสองชั้น
ภาพด้านล่างแสดงภาพตัดขวางของ DMOS แบบ N-channel มาตรฐาน อุปกรณ์ DMOS ประเภทนี้มักใช้ในงานสวิตช์ด้านล่าง (low-side switching) ซึ่งแหล่งกำเนิดของ MOSFET ต่อกับกราวด์ นอกจากนี้ยังมี DMOS แบบ P-channel อุปกรณ์ DMOS ประเภทนี้มักใช้ในงานสวิตช์ด้านบน (high-side switching) ซึ่งแหล่งกำเนิดของ MOSFET ต่อกับแรงดันบวก คล้ายกับ CMOS อุปกรณ์ DMOS แบบเสริม (complementary DMOS devices) ใช้ MOSFET แบบ N-channel และ P-channel บนชิปเดียวกันเพื่อให้ฟังก์ชันการสวิตช์แบบเสริมกัน
ขึ้นอยู่กับทิศทางของช่องสัญญาณ DMOS สามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท ได้แก่ ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะออกไซด์แบบกระจายคู่แนวตั้ง (VDMOS: Vertical Double-Diffused MOSFET) และทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะออกไซด์แบบกระจายคู่แนวนอน (LDMOS: Lateral Double-Diffused MOSFET)
อุปกรณ์ VDMOS ถูกออกแบบมาให้มีช่องสัญญาณแนวตั้ง เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ DMOS แบบแนวนอน อุปกรณ์ VDMOS จะมีแรงดันพังทลายและความสามารถในการรับกระแสที่สูงกว่า แต่ความต้านทานขณะเปิดเครื่องก็ยังค่อนข้างสูง
อุปกรณ์ LDMOS ถูกออกแบบมาให้มีช่องสัญญาณด้านข้างและเป็นอุปกรณ์ MOSFET กำลังไฟฟ้าแบบไม่สมมาตร เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ DMOS แนวตั้ง อุปกรณ์ LDMOS มีค่าความต้านทานขณะเปิดต่ำกว่าและมีความเร็วในการสวิตช์ที่เร็วกว่า
เมื่อเปรียบเทียบกับ MOSFET แบบดั้งเดิม DMOS มีความจุขณะเปิดใช้งานสูงกว่าและมีความต้านทานต่ำกว่า ดังนั้นจึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง เช่น สวิตช์ไฟ เครื่องมือไฟฟ้า และระบบขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้า
5. BiCMOS
เทคโนโลยีไบโพลาร์ CMOS คือเทคโนโลยีที่รวมอุปกรณ์ CMOS และอุปกรณ์ไบโพลาร์ไว้บนชิปเดียวกันในเวลาเดียวกัน แนวคิดพื้นฐานคือการใช้อุปกรณ์ CMOS เป็นวงจรหลัก และเพิ่มอุปกรณ์หรือวงจรไบโพลาร์ในส่วนที่ต้องการขับโหลดความจุสูง ดังนั้น วงจร BiCMOS จึงมีข้อดีของวงจร CMOS คือการรวมวงจรได้สูงและใช้พลังงานต่ำ และมีข้อดีของวงจร BJT คือความเร็วสูงและความสามารถในการขับกระแสไฟฟ้าสูง
เทคโนโลยี BiCMOS SiGe (ซิลิคอนเจอร์มาเนียม) ของ STMicroelectronics ผสานรวมส่วน RF, อนาล็อก และดิจิทัลไว้ในชิปเดียว ซึ่งสามารถลดจำนวนส่วนประกอบภายนอกและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อย่างมาก
6. บีซีดี
เทคโนโลยีไบโพลาร์-CMOS-DMOS นี้ สามารถสร้างอุปกรณ์ไบโพลาร์ CMOS และ DMOS บนชิปเดียวกันได้ เรียกว่ากระบวนการ BCD ซึ่งได้รับการพัฒนาสำเร็จเป็นครั้งแรกโดย STMicroelectronics (ST) ในปี 1986
ไบโพลาร์เหมาะสำหรับวงจรอนาล็อก, CMOS เหมาะสำหรับวงจรดิจิทัลและวงจรลอจิก และ DMOS เหมาะสำหรับอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าและแรงดันสูง BCD ผสมผสานข้อดีของทั้งสามอย่างเข้าด้วยกัน หลังจากการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง BCD จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์ด้านการจัดการพลังงาน การรับข้อมูลอนาล็อก และแอคทูเอเตอร์กำลังไฟฟ้า ตามเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ ST กระบวนการผลิต BCD ที่พัฒนาเต็มที่แล้วยังคงอยู่ที่ประมาณ 100 นาโนเมตร 90 นาโนเมตรยังอยู่ในขั้นตอนการออกแบบต้นแบบ และเทคโนโลยี BCD 40 นาโนเมตรจัดอยู่ในกลุ่มผลิตภัณฑ์รุ่นต่อไปที่อยู่ระหว่างการพัฒนา
วันที่เผยแพร่: 10 กันยายน 2024