BJT, CMOS, DMOS і іншыя тэхналогіі паўправадніковых працэсаў

Сардэчна запрашаем на наш вэб-сайт для атрымання інфармацыі аб прадуктах і кансультацый.

Наш сайт:https://www.vet-china.com/

 

Па меры таго, як працэсы вытворчасці паўправаднікоў працягваюць рабіць прарывы, вядомая заява пад назвай "закон Мура" цыркулюе ў прамысловасці. Ён быў прапанаваны Горданам Мурам, адным з заснавальнікаў Intel, у 1965 годзе. Яе асноўны змест: колькасць транзістараў, якія могуць быць размешчаны на інтэгральнай схеме, будзе падвойвацца прыкладна кожныя 18-24 месяцы. Гэты закон з'яўляецца не толькі аналізам і прагнозам тэндэнцыі развіцця галіны, але і рухаючай сілай для развіцця працэсаў вытворчасці паўправаднікоў - усё, каб зрабіць транзістары з меншым памерам і стабільнай прадукцыйнасцю. З 1950-х да цяперашняга часу, каля 70 гадоў, у агульнай складанасці былі распрацаваны тэхналогіі працэсаў BJT, MOSFET, CMOS, DMOS і гібрыдныя тэхналогіі BiCMOS і BCD.

 

1. BJT

Біпалярны транзістар (BJT), шырока вядомы як трыёд. Паток зарада ў транзістары ў асноўным абумоўлены дыфузіяй і дрэйфавым рухам носьбітаў на PN-пераходзе. Паколькі ён уключае паток як электронаў, так і дзірак, яго называюць біпалярным прыладай.

Азіраючыся на гісторыю свайго нараджэння. З-за ідэі замены вакуумных трыёдаў на цвёрдацельныя ўзмацняльнікі Шоклі летам 1945 г. прапанаваў правесці фундаментальныя даследаванні паўправаднікоў. У другой палове 1945 г. Bell Labs стварыла даследчую групу па фізіцы цвёрдага цела на чале з Шоклі. У гэтай групе ёсць не толькі фізікі, але таксама інжынеры-схематэхнікі і хімікі, у тым ліку Бардзін, фізік-тэарэтык, і Браттэйн, фізік-эксперыментатар. У снежні 1947 г. бліскуча адбылася падзея, якую наступныя пакаленні лічылі важнай вяхой - Бардзін і Браттэйн паспяхова вынайшлі першы ў свеце германіевы транзістар з кропкавым кантактам з узмацненнем току.

Першы транзістар з кропкавым кантактам Бардзіна і Братэйна

Неўзабаве пасля гэтага ў 1948 годзе Шоклі вынайшаў біпалярны транзістар. Ён выказаў здагадку, што транзістар можа складацца з двух pn-пераходаў, аднаго з прамым зрушэннем, а другога з адваротным зрушэннем, і атрымаў патэнт у чэрвені 1948 года. У 1949 годзе ён апублікаваў падрабязную тэорыю працы пераходнага транзістара. Больш чым праз два гады навукоўцы і інжынеры з Bell Labs распрацавалі працэс для дасягнення масавай вытворчасці транзістараў з пераходам (вяха ў 1951 г.), адкрыўшы новую эру электронных тэхналогій. У знак прызнання іх укладу ў вынаходніцтва транзістараў Шоклі, Бардзін і Браттэйн разам атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіцы ў 1956 годзе.

Простая структурная схема біпалярнага транзістара NPN

Што тычыцца структуры біпалярных транзістараў з пераходам, агульнымі BJT з'яўляюцца NPN і PNP. Падрабязная ўнутраная структура паказана на малюнку ніжэй. Прымесная паўправадніковая вобласць, якая адпавядае эмітару, - гэта эмітарная вобласць, якая мае высокую канцэнтрацыю легіравання; прымесная паўправадніковая вобласць, адпаведная базе, - гэта базавая вобласць, якая мае вельмі тонкую шырыню і вельмі нізкую канцэнтрацыю легіравання; прымесная паўправадніковая вобласць, адпаведная калектару, - гэта калектарная вобласць, якая мае вялікую плошчу і вельмі нізкую канцэнтрацыю легіравання.

Перавагамі тэхналогіі BJT з'яўляюцца высокая хуткасць водгуку, высокая праводнасць (змены ўваходнага напружання адпавядаюць вялікім зменам выхаднога току), нізкі ўзровень шуму, высокая аналагавая дакладнасць і здольнасць кіраваць моцным токам; недахопы - нізкая інтэграцыя (вертыкальная глыбіня не можа быць зменшана з бакавым памерам) і высокае энергаспажыванне.

 

2. MOS

Металааксідна-паўправадніковы палявы транзістар (метала-аксід-паўправадніковы палявы транзістар), гэта значыць палявы транзістар, які кіруе пераключэннем правадніковага канала паўправадніка (S) шляхам падачы напругі на засаўку металічнага пласта (М-металічны алюміній) і крыніца праз аксідны пласт (O-ізаляцыйны пласт SiO2) для стварэння эфекту электрычнага поля. Паколькі засаўка і выток, а таксама засаўка і сцёк ізаляваны ізаляцыйным пластом SiO2, MOSFET таксама называюць палявым транзістарам з ізаляваным засаўкам. У 1962 годзе Bell Labs афіцыйна абвясціла аб паспяховай распрацоўцы, якая стала адной з найважнейшых вех у гісторыі развіцця паўправаднікоў і непасрэдна заклала тэхнічную аснову для з'яўлення паўправадніковай памяці.

MOSFET можа быць падзелены на канал P і канал N у залежнасці ад тыпу праводзячага канала. У залежнасці ад амплітуды напружання на засаўцы, яго можна падзяліць на: тып знясілення - калі напружанне на засаўцы роўна нулю, паміж сцёкам і крыніцай ёсць правадзячы канал; тып удасканалення - для прылад з N (P)-каналам, токаправодны канал існуе толькі тады, калі напружанне на засаўцы больш (менш) за нуль, а сілавы МАП-транзістар у асноўным мае тып узмацнення N-канала.

Асноўныя адрозненні паміж MOS і трыёдам ўключаюць, але не абмяжоўваюцца імі, наступныя моманты:

-Трыёды з'яўляюцца біпалярнымі прыладамі, таму што ў правядзенні адначасова ўдзельнічаюць і асноўныя, і меншыя носьбіты; у той час як MOS праводзіць электрычнасць толькі праз асноўныя носьбіты ў паўправадніках, і яго таксама называюць уніпалярным транзістарам.
-Трыёды - гэта прылады, якія кіруюцца токам, з адносна высокім энергаспажываннем; у той час як MOSFET - гэта прылады з кіраваннем напругай і нізкім энергаспажываннем.
- Трыёды маюць вялікае супраціўленне ўключэння, у той час як МАП-лямпы маюць невялікае супраціўленне ўключэння, усяго некалькі сотняў міліом. У сучасных электрычных прыладах МОП-лямпы звычайна выкарыстоўваюцца ў якасці выключальнікаў, галоўным чынам таму, што ККД МОП адносна высокі ў параўнанні з трыёдамі.
-Трыёды маюць адносна выгадны кошт, а МОП-лямпы адносна дарагія.
-У наш час МОП-лямпы выкарыстоўваюцца для замены трыёдаў у большасці сцэнарыяў. Толькі ў некаторых сцэнарыях з нізкім энергаспажываннем або неадчувальным да энергаспажывання мы будзем выкарыстоўваць трыёды з улікам цэнавай перавагі.

3. CMOS

Камплементарны металаксідна-аксідны паўправаднік: тэхналогія CMOS выкарыстоўвае дадатковыя металааксідна-паўправадніковыя транзістары p-тыпу і n-тыпу (MOSFET) для стварэння электронных прылад і лагічных схем. На наступным малюнку паказаны звычайны інвертар CMOS, які выкарыстоўваецца для пераўтварэння «1→0» або «0→1».

Наступны малюнак - тыповы папярочны разрэз CMOS. Левы бок - гэта NMS, а правы - PMOS. Полюсы G двух MOS злучаны разам як агульны ўваход засаўкі, а полюсы D злучаны разам як агульны выхад сцёку. VDD падключаецца да крыніцы PMOS, а VSS - да крыніцы NMOS.

У 1963 годзе Ванлас і Сах з Fairchild Semiconductor вынайшлі схему CMOS. У 1968 годзе Амерыканская радыёкарпарацыя (RCA) распрацавала першую інтэгральную схему CMOS, і з таго часу схема CMOS дасягнула вялікага развіцця. Яго перавагі - нізкае энергаспажыванне і высокая інтэграцыя (працэс STI/LOCOS можа яшчэ больш палепшыць інтэграцыю); яго недахопам з'яўляецца існаванне эфекту блакіроўкі (зваротнае зрушэнне PN-пераходу выкарыстоўваецца ў якасці ізаляцыі паміж трубкамі MOS, і перашкоды могуць лёгка ўтварыць узмоцненую пятлю і спаліць ланцуг).

 

4. DMOS

Металааксідны паўправаднік з падвойнай дыфузіяй: Падобна да структуры звычайных MOSFET-прыладаў, ён таксама мае электроды вытоку, сцёку, засаўкі і іншыя электроды, але напружанне прабоя на канцы сцёку высокае. Выкарыстоўваецца працэс падвойнай дыфузіі.

На малюнку ніжэй паказаны папярочны разрэз стандартнага N-канальнага DMOS. Гэты тып прылады DMOS звычайна выкарыстоўваецца ў праграмах камутацыі нізкага боку, дзе крыніца MOSFET злучана з зямлёй. Акрамя таго, ёсць P-канальны DMOS. Гэты тып прылады DMOS звычайна выкарыстоўваецца ў праграмах камутацыі высокага боку, дзе крыніца MOSFET падлучана да станоўчага напружання. Падобна CMOS, дадатковыя прылады DMOS выкарыстоўваюць N-канальныя і P-канальныя MOSFET на адным чыпе для забеспячэння дадатковых функцый пераключэння.

У залежнасці ад напрамку канала DMOS можна падзяліць на два тыпу, а менавіта: вертыкальны двайны дыфузны металаксідны паўправадніковы палявы транзістар VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET) і бакавы двайны дыфузны металаксідны паўправадніковы палявы транзістар LDMOS (Lateral Double Diffused MOSFET) -Diffused MOSFET).

Прылады VDMOS распрацаваны з вертыкальным каналам. У параўнанні з бакавымі прыладамі DMOS, яны маюць больш высокія магчымасці апрацоўкі напружання прабоя і току, але супраціўленне ўключэнню па-ранейшаму адносна вялікае.

Прылады LDMOS распрацаваны з бакавым каналам і ўяўляюць сабой асіметрычныя сілавыя прылады MOSFET. У параўнанні з вертыкальнымі прыладамі DMOS, яны дазваляюць меншае супраціўленне ўключэння і больш высокую хуткасць пераключэння.

У параўнанні з традыцыйнымі МАП-транзістарамі, DMOS мае больш высокую ёмістасць і меншы супраціў, таму ён шырока выкарыстоўваецца ў магутных электронных прыладах, такіх як выключальнікі сілкавання, электраінструменты і прывады электрамабіляў.

 

5. BiCMOS

Біпалярны CMOS - гэта тэхналогія, якая аб'ядноўвае CMOS і біпалярныя прылады на адным чыпе адначасова. Яго асноўная ідэя заключаецца ў выкарыстанні прылад CMOS у якасці асноўнай схемы блока і даданні біпалярных прылад або схем, дзе патрабуецца кіраванне вялікімі ёмістнымі нагрузкамі. Такім чынам, схемы BiCMOS маюць перавагі высокай інтэграцыі і нізкага энергаспажывання схем CMOS, а таксама перавагі высокай хуткасці і магутнасці кіравання токам схем BJT.

Тэхналогія BiCMOS SiGe (крэмній-германій) ад STMicroelectronics аб'ядноўвае радыёчастотныя, аналагавыя і лічбавыя часткі на адным чыпе, што дазваляе значна паменшыць колькасць знешніх кампанентаў і аптымізаваць энергаспажыванне.

 

6. БХД

Bipolar-CMOS-DMOS, гэтая тэхналогія можа ствараць біпалярныя, CMOS і DMOS прылады на адным чыпе, які называецца працэсам BCD, які ўпершыню быў паспяхова распрацаваны STMicroelectronics (ST) у 1986 годзе.

Біпалярны падыходзіць для аналагавых схем, CMOS - для лічбавых і лагічных схем, а DMOS - для сілавых і высакавольтных прылад. БХД спалучае ў сабе перавагі трох. Пасля пастаяннага ўдасканалення BCD шырока выкарыстоўваецца ў прадуктах у галіне кіравання сілкаваннем, збору аналагавых даных і сілавых прывадаў. Згодна з афіцыйным вэб-сайтам ST, спелы працэс для BCD па-ранейшаму складае каля 100 нм, 90 нм усё яшчэ знаходзіцца ў стадыі распрацоўкі прататыпа, а тэхналогія 40 нмBCD належыць да прадуктаў наступнага пакалення, якія распрацоўваюцца.