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Da die Halbleiterfertigungsprozesse kontinuierlich Fortschritte machen, kursiert in der Branche das bekannte „Mooresche Gesetz“. Es wurde 1965 von Gordon Moore, einem der Gründer von Intel, formuliert. Dessen Kernaussage lautet: Die Anzahl der Transistoren, die auf einem integrierten Schaltkreis untergebracht werden können, verdoppelt sich etwa alle 18 bis 24 Monate. Dieses Gesetz analysiert und prognostiziert nicht nur den Entwicklungstrend der Branche, sondern treibt auch die Weiterentwicklung der Halbleiterfertigungsprozesse voran – mit dem Ziel, immer kleinere und gleichzeitig stabilere Transistoren herzustellen. Von den 1950er Jahren bis heute, also in rund 70 Jahren, wurden insgesamt BJT-, MOSFET-, CMOS-, DMOS- sowie die Hybrid-Prozesstechnologien BiCMOS und BCD entwickelt.
1. BJT
Der Bipolartransistor (BJT), auch Triode genannt, erzeugt einen Ladungsfluss, der hauptsächlich auf der Diffusion und Drift von Ladungsträgern am PN-Übergang beruht. Da sowohl Elektronen als auch Löcher fließen, wird er als Bipolartransistor bezeichnet.
Ein Blick zurück auf die Entstehungsgeschichte: Aufgrund der Idee, Vakuumtrioden durch Festkörperverstärker zu ersetzen, schlug Shockley im Sommer 1945 Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Halbleiter vor. In der zweiten Jahreshälfte 1945 gründeten die Bell Labs unter Shockleys Leitung eine Forschungsgruppe für Festkörperphysik. Dieser Gruppe gehörten neben Physikern auch Schaltungsingenieure und Chemiker an, darunter der theoretische Physiker Bardeen und der Experimentalphysiker Brattain. Im Dezember 1947 gelang Bardeen und Brattain ein bahnbrechender Erfolg: Sie entwickelten den weltweit ersten Germanium-Punktkontakttransistor mit Stromverstärkung.
Der erste Punktkontakttransistor von Bardeen und Brattain
Kurz darauf erfand Shockley 1948 den Bipolartransistor. Er schlug vor, dass der Transistor aus zwei pn-Übergängen bestehen könne, einem in Durchlassrichtung und einem in Sperrrichtung, und erhielt im Juni 1948 ein Patent. 1949 veröffentlichte er die detaillierte Theorie der Funktionsweise des Bipolartransistors. Gut zwei Jahre später entwickelten Wissenschaftler und Ingenieure der Bell Labs ein Verfahren zur Massenproduktion von Bipolartransistoren (ein Meilenstein im Jahr 1951), was eine neue Ära der Elektronik einleitete. In Anerkennung ihrer Beiträge zur Erfindung des Transistors erhielten Shockley, Bardeen und Brattain gemeinsam den Nobelpreis für Physik 1956.
Einfaches Strukturdiagramm eines NPN-Bipolartransistors
Bezüglich des Aufbaus von Bipolartransistoren (BJTs) sind die gängigen Typen NPN und PNP. Der detaillierte interne Aufbau ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die dem Emitter entsprechende Halbleiterzone ist die Emitterzone mit hoher Dotierungskonzentration; die dem Basisbereich entsprechende Halbleiterzone ist die Basiszone mit sehr geringer Dicke und niedriger Dotierungskonzentration; die dem Kollektorbereich entsprechende Halbleiterzone ist die Kollektorzone mit großer Fläche und sehr niedriger Dotierungskonzentration.
Die Vorteile der BJT-Technologie sind hohe Ansprechgeschwindigkeit, hohe Steilheit (Änderungen der Eingangsspannung entsprechen großen Änderungen des Ausgangsstroms), geringes Rauschen, hohe analoge Genauigkeit und starke Stromtreiberfähigkeit; die Nachteile sind geringe Integration (die vertikale Tiefe kann nicht mit der lateralen Größe reduziert werden) und hoher Stromverbrauch.
2. MOS
Der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist ein Feldeffekttransistor, der den Schaltvorgang des Halbleiterkanals (S) durch Anlegen einer Spannung an das Gate (Metallschicht M – Aluminium) und die Source (Siliziumdioxidschicht O – Siliziumdioxid) steuert. Durch Anlegen einer Spannung wird über die Siliziumdioxidschicht (SiO₂) ein elektrisches Feld erzeugt. Da Gate und Source sowie Gate und Drain durch die SiO₂-Isolierschicht voneinander getrennt sind, wird der MOSFET auch als Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate bezeichnet. Die Bell Labs gaben 1962 die erfolgreiche Entwicklung des MOSFET bekannt. Dies gilt als einer der wichtigsten Meilensteine in der Geschichte der Halbleiterentwicklung und legte den Grundstein für die Entwicklung von Halbleiterspeichern.
MOSFETs lassen sich anhand des Kanaltyps in P-Kanal- und N-Kanal-MOSFETs unterteilen. Nach der Gate-Spannungsamplitude unterscheidet man zwischen Verarmungs-MOSFETs: Bei einer Gate-Spannung von null besteht ein leitender Kanal zwischen Drain und Source. Anreicherungs-MOSFETs hingegen weisen bei N-Kanal-MOSFETs (P-Kanal-MOSFETs) nur dann einen leitenden Kanal auf, wenn die Gate-Spannung größer (kleiner) null ist. Leistungs-MOSFETs sind hauptsächlich N-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs.
Die wichtigsten Unterschiede zwischen MOS-Transistoren und Trioden umfassen unter anderem folgende Punkte:
Trioden sind bipolare Bauelemente, weil sowohl Majoritäts- als auch Minoritätsträger gleichzeitig an der Leitung beteiligt sind; MOS-Transistoren hingegen leiten Strom nur über Majoritätsträger in Halbleitern und werden daher auch als unipolare Transistoren bezeichnet.
Trioden sind stromgesteuerte Bauelemente mit relativ hohem Stromverbrauch; MOSFETs hingegen sind spannungsgesteuerte Bauelemente mit niedrigem Stromverbrauch.
Trioden weisen einen hohen Durchlasswiderstand auf, während MOSFETs einen sehr niedrigen Durchlasswiderstand von nur wenigen hundert Milliohm besitzen. In modernen elektrischen Geräten werden MOSFETs üblicherweise als Schalter eingesetzt, hauptsächlich aufgrund ihres im Vergleich zu Trioden relativ hohen Wirkungsgrades.
Trioden sind vergleichsweise kostengünstig, MOS-Röhren hingegen sind relativ teuer.
Heutzutage werden MOSFETs in den meisten Anwendungsfällen anstelle von Trioden verwendet. Nur in einigen Fällen mit geringer Leistung oder bei unempfindlicher Leistungsaufnahme werden Trioden aufgrund des Preisvorteils weiterhin eingesetzt.
3. CMOS
Komplementärer Metalloxid-Halbleiter: Die CMOS-Technologie verwendet komplementäre p- und n-leitende Metalloxid-Halbleiter-Transistoren (MOSFETs) zum Aufbau elektronischer Bauelemente und Logikschaltungen. Die folgende Abbildung zeigt einen typischen CMOS-Inverter, der zur „1→0“- oder „0→1“-Wandlung dient.
Die folgende Abbildung zeigt einen typischen CMOS-Querschnitt. Links befindet sich der NMOS-Transistor, rechts der PMOS-Transistor. Die G-Anschlüsse der beiden MOS-Transistoren sind als gemeinsamer Gate-Eingang, die D-Anschlüsse als gemeinsamer Drain-Ausgang verbunden. VDD ist mit dem Source-Anschluss des PMOS-Transistors, VSS mit dem Source-Anschluss des NMOS-Transistors verbunden.
1963 erfanden Wanlass und Sah von Fairchild Semiconductor die CMOS-Schaltung. 1968 entwickelte die American Radio Corporation (RCA) das erste integrierte CMOS-Produkt, und seitdem hat die CMOS-Schaltung eine rasante Entwicklung durchlaufen. Ihre Vorteile sind der geringe Stromverbrauch und die hohe Integration (das STI/LOCOS-Verfahren kann die Integration weiter verbessern); ihr Nachteil ist der Lock-Effekt (die Sperrspannung der PN-Übergänge dient der Isolation zwischen den MOSFETs, wodurch Störungen leicht eine verstärkte Schleife bilden und die Schaltung zerstören können).
4. DMOS
Doppelt diffundierter Metalloxid-Halbleiter: Ähnlich wie herkömmliche MOSFETs besitzt er Source-, Drain-, Gate- und weitere Elektroden, jedoch ist die Durchbruchspannung am Drain-Anschluss hoch. Daher wird ein Doppeldiffusionsverfahren angewendet.
Die Abbildung unten zeigt den Querschnitt eines Standard-N-Kanal-DMOS. Dieser DMOS-Typ wird üblicherweise in Low-Side-Schaltanwendungen eingesetzt, bei denen die Source des MOSFETs mit Masse verbunden ist. Daneben gibt es den P-Kanal-DMOS. Dieser DMOS-Typ wird üblicherweise in High-Side-Schaltanwendungen verwendet, bei denen die Source des MOSFETs an eine positive Spannung angeschlossen ist. Ähnlich wie bei CMOS-Schaltungen verwenden komplementäre DMOS-Bauelemente N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETs auf demselben Chip, um komplementäre Schaltfunktionen zu realisieren.
Je nach Richtung des Kanals lassen sich DMOS-Transistoren in zwei Typen unterteilen: vertikale doppelt diffundierte Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (VDMOS, Vertical Double-Diffused MOSFET) und laterale doppelt diffundierte Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (LDMOS, Lateral Double-Diffused MOSFET).
VDMOS-Bauelemente sind mit einem vertikalen Kanal ausgestattet. Im Vergleich zu lateralen DMOS-Bauelementen weisen sie eine höhere Durchbruchspannung und Strombelastbarkeit auf, der Einschaltwiderstand ist jedoch immer noch relativ hoch.
LDMOS-Bauelemente sind mit einem seitlichen Kanal ausgestattet und asymmetrische Leistungs-MOSFETs. Im Vergleich zu vertikalen DMOS-Bauelementen ermöglichen sie einen geringeren Einschaltwiderstand und höhere Schaltgeschwindigkeiten.
Im Vergleich zu herkömmlichen MOSFETs weisen DMOS-Transistoren eine höhere Einschaltkapazität und einen geringeren Widerstand auf und werden daher häufig in elektronischen Hochleistungsgeräten wie Leistungsschaltern, Elektrowerkzeugen und Antrieben für Elektrofahrzeuge eingesetzt.
5. BiCMOS
Bipolar-CMOS ist eine Technologie, die CMOS- und Bipolarbauelemente gleichzeitig auf einem Chip integriert. Das Grundprinzip besteht darin, CMOS-Bauelemente als Hauptschaltung zu verwenden und Bipolarbauelemente oder -schaltungen hinzuzufügen, wenn große kapazitive Lasten angesteuert werden müssen. Dadurch vereinen BiCMOS-Schaltungen die Vorteile der hohen Integration und des geringen Stromverbrauchs von CMOS-Schaltungen mit den Vorteilen der hohen Geschwindigkeit und der starken Strombelastbarkeit von BJT-Schaltungen.
Die BiCMOS SiGe (Silizium-Germanium)-Technologie von STMicroelectronics integriert HF-, Analog- und Digitalteile auf einem einzigen Chip, wodurch die Anzahl externer Komponenten deutlich reduziert und der Stromverbrauch optimiert werden kann.
6. BCD
Bipolar-CMOS-DMOS, diese Technologie ermöglicht die Herstellung von Bipolar-, CMOS- und DMOS-Bauelementen auf demselben Chip, genannt BCD-Prozess, der erstmals 1986 von STMicroelectronics (ST) erfolgreich entwickelt wurde.
Bipolare Schaltungen eignen sich für analoge Schaltungen, CMOS für digitale und Logikschaltungen und DMOS für Leistungselektronik und Hochspannungsbauelemente. BCD vereint die Vorteile dieser drei Technologien. Nach kontinuierlicher Weiterentwicklung findet BCD breite Anwendung in Produkten der Energieverwaltung, der analogen Datenerfassung und der Leistungselektronik. Laut der offiziellen Website von ST liegt der ausgereifte Prozess für BCD noch bei etwa 100 nm, 90 nm befindet sich noch in der Prototypenphase, und die 40-nm-BCD-Technologie gehört zu den in Entwicklung befindlichen Produkten der nächsten Generation.
Veröffentlichungsdatum: 10. September 2024