BJT, CMOS, DMOS und andere Halbleiterprozesstechnologien

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Da Halbleiterfertigungsprozesse weiterhin bahnbrechende Fortschritte erzielen, kursiert in der Branche eine berühmte Aussage namens „Moores Gesetz“. Es wurde 1965 von Gordon Moore, einem der Gründer von Intel, vorgeschlagen. Sein Kerninhalt ist: Die Anzahl der Transistoren, die auf einem integrierten Schaltkreis untergebracht werden können, wird sich etwa alle 18 bis 24 Monate verdoppeln. Dieses Gesetz ist nicht nur eine Analyse und Vorhersage des Entwicklungstrends der Branche, sondern auch eine treibende Kraft für die Entwicklung von Halbleiterherstellungsprozessen – alles zielt darauf ab, Transistoren mit kleinerer Größe und stabiler Leistung herzustellen. Von den 1950er Jahren bis heute, also etwa 70 Jahre, wurden insgesamt BJT-, MOSFET-, CMOS-, DMOS- und Hybrid-BiCMOS- und BCD-Prozesstechnologien entwickelt.

 

1. BJT

Bipolarer Sperrschichttransistor (BJT), allgemein bekannt als Triode. Der Ladungsfluss im Transistor ist hauptsächlich auf die Diffusion und Driftbewegung von Ladungsträgern am PN-Übergang zurückzuführen. Da dabei sowohl Elektronen als auch Löcher fließen, wird es als bipolares Gerät bezeichnet.

Rückblick auf die Geschichte seiner Geburt. Aufgrund der Idee, Vakuumtrioden durch Feststoffverstärker zu ersetzen, schlug Shockley im Sommer 1945 vor, Grundlagenforschung an Halbleitern durchzuführen. In der zweiten Hälfte des Jahres 1945 gründeten Bell Labs eine Forschungsgruppe für Festkörperphysik unter der Leitung von Shockley. Zu dieser Gruppe gehören nicht nur Physiker, sondern auch Schaltkreisingenieure und Chemiker, darunter Bardeen, ein theoretischer Physiker, und Brattain, ein Experimentalphysiker. Im Dezember 1947 geschah ein Ereignis, das von späteren Generationen als Meilenstein angesehen wurde: Bardeen und Brattain erfanden erfolgreich 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 könnte, von denen einer in Vorwärtsrichtung und der andere in Sperrrichtung vorgespannt ist, und erhielt im Juni 1948 ein Patent. 1949 veröffentlichte er die detaillierte Theorie der Funktionsweise des Sperrschichttransistors. Mehr als zwei Jahre später entwickelten Wissenschaftler und Ingenieure der Bell Labs ein Verfahren zur Massenproduktion von Sperrschichttransistoren (Meilenstein im Jahr 1951) und leiteten damit eine neue Ära der elektronischen Technologie ein. In Anerkennung ihrer Beiträge zur Erfindung der Transistoren erhielten Shockley, Bardeen und Brattain 1956 gemeinsam den Nobelpreis für Physik.

Einfaches Strukturdiagramm eines NPN-Bipolartransistors

In Bezug auf die Struktur von Bipolartransistoren sind NPN und PNP übliche BJTs. Die detaillierte interne Struktur ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der dem Emitter entsprechende Verunreinigungshalbleiterbereich ist der Emitterbereich, der eine hohe Dotierungskonzentration aufweist; der der Basis entsprechende Verunreinigungshalbleiterbereich ist der Basisbereich, der eine sehr geringe Breite und eine sehr niedrige Dotierungskonzentration aufweist; Der dem Kollektor entsprechende Verunreinigungshalbleiterbereich ist der Kollektorbereich, der eine große Fläche und eine sehr niedrige Dotierungskonzentration aufweist.

Die Vorteile der BJT-Technologie sind hohe Reaktionsgeschwindigkeit, hohe Transkonduktanz (Änderungen der Eingangsspannung entsprechen großen Änderungen des Ausgangsstroms), geringes Rauschen, hohe analoge Genauigkeit und starke Stromtreiberfähigkeit; Die Nachteile sind die geringe Integration (vertikale Tiefe kann nicht durch seitliche Größe verringert werden) und der hohe Stromverbrauch.

 

2. MOS

Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor FET), d. h. ein Feldeffekttransistor, der den Schalter des leitenden Halbleiterkanals (S) durch Anlegen einer Spannung an das Gate der Metallschicht (M-Metall-Aluminium) steuert Quelle durch die Oxidschicht (O-isolierende Schicht SiO2), um die Wirkung des elektrischen Feldes zu erzeugen. Da Gate und Source sowie Gate und Drain durch die SiO2-Isolierschicht isoliert sind, wird der MOSFET auch als Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate bezeichnet. Im Jahr 1962 gab Bell Labs offiziell die erfolgreiche Entwicklung bekannt, die zu einem der wichtigsten Meilensteine ​​in der Geschichte der Halbleiterentwicklung wurde und direkt den technischen Grundstein für das Aufkommen von Halbleiterspeichern legte.

MOSFETs können je nach Typ des leitenden Kanals in P-Kanal und N-Kanal unterteilt werden. Entsprechend der Gate-Spannungsamplitude kann sie unterteilt werden in: Verarmungstyp – wenn die Gate-Spannung Null ist, gibt es einen leitenden Kanal zwischen Drain und Source; Anreicherungstyp: Bei Geräten mit N (P)-Kanal gibt es nur dann einen leitenden Kanal, wenn die Gate-Spannung größer (kleiner als) Null ist, und der Leistungs-MOSFET ist hauptsächlich vom N-Kanal-Anreicherungstyp.

Die Hauptunterschiede zwischen MOS und Triode umfassen unter anderem die folgenden Punkte:

-Trioden sind bipolare Geräte, da sowohl Mehrheits- als auch Minderheitsträger gleichzeitig an der Leitung beteiligt sind; während MOS Strom nur über Mehrheitsträger in Halbleitern leitet und auch als Unipolartransistor bezeichnet wird.
-Trioden sind stromgesteuerte Geräte mit relativ hohem Stromverbrauch; während MOSFETs spannungsgesteuerte Geräte mit geringem Stromverbrauch sind.
-Trioden haben einen großen Einschaltwiderstand, während MOS-Röhren einen kleinen Einschaltwiderstand von nur einigen hundert Milliohm haben. In aktuellen elektrischen Geräten werden in der Regel MOS-Röhren als Schalter verwendet, vor allem weil der Wirkungsgrad von MOS im Vergleich zu Trioden relativ hoch ist.
-Trioden haben relativ günstige Kosten und MOS-Röhren sind relativ teuer.
- Heutzutage werden in den meisten Fällen MOS-Röhren als Ersatz für Trioden verwendet. Aufgrund des Preisvorteils werden wir Trioden nur in einigen Situationen mit geringem Stromverbrauch oder Leistungsunempfindlichkeit verwenden.

3. CMOS

Komplementärer Metalloxid-Halbleiter: Die CMOS-Technologie verwendet komplementäre p-Typ- und n-Typ-Metalloxid-Halbleitertransistoren (MOSFETs) zum Aufbau elektronischer Geräte und Logikschaltungen. Die folgende Abbildung zeigt einen gängigen CMOS-Inverter, der für die „1→0“- oder „0→1“-Umwandlung verwendet wird.

Die folgende Abbildung ist ein typischer CMOS-Querschnitt. Die linke Seite ist NMS und die rechte Seite ist PMOS. Die G-Pole der beiden MOS sind als gemeinsamer Gate-Eingang miteinander verbunden, und die D-Pole sind als gemeinsamer Drain-Ausgang miteinander verbunden. VDD ist mit der Source des PMOS verbunden und VSS ist mit der Source des NMOS verbunden.

1963 erfanden Wanlass und Sah von Fairchild Semiconductor die CMOS-Schaltung. Im Jahr 1968 entwickelte die American Radio Corporation (RCA) das erste integrierte CMOS-Schaltkreisprodukt, und seitdem hat der CMOS-Schaltkreis eine große Entwicklung gemacht. Seine Vorteile sind geringer Stromverbrauch und hohe Integration (der STI/LOCOS-Prozess kann die Integration weiter verbessern); Sein Nachteil ist das Vorhandensein eines Sperreffekts (die Sperrvorspannung des PN-Übergangs wird als Isolierung zwischen den MOS-Röhren verwendet, und Interferenzen können leicht eine verstärkte Schleife bilden und den Schaltkreis durchbrennen).

 

4. DMOS

Doppelt diffundierter Metalloxid-Halbleiter: Ähnlich der Struktur gewöhnlicher MOSFET-Geräte verfügt er auch über Source-, Drain-, Gate- und andere Elektroden, aber die Durchbruchspannung am Drain-Ende ist hoch. Es wird ein Doppeldiffusionsverfahren verwendet.

Die folgende Abbildung zeigt den Querschnitt eines Standard-N-Kanal-DMOS. Diese Art von DMOS-Gerät wird normalerweise in Low-Side-Schaltanwendungen verwendet, bei denen die Source des MOSFET mit Masse verbunden ist. Darüber hinaus gibt es einen P-Kanal-DMOS. Diese Art von DMOS-Gerät wird normalerweise in High-Side-Schaltanwendungen verwendet, bei denen die Quelle des MOSFET an eine positive Spannung angeschlossen ist. Ähnlich wie CMOS verwenden komplementäre DMOS-Geräte N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETs auf demselben Chip, um komplementäre Schaltfunktionen bereitzustellen.

Abhängig von der Richtung des Kanals kann DMOS in zwei Typen unterteilt werden, nämlich den vertikalen doppelt diffundierten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET) und den lateralen doppelt diffundierten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor LDMOS (Lateral Double). -Diffusions-MOSFET).

VDMOS-Geräte sind mit einem vertikalen Kanal ausgestattet. Im Vergleich zu lateralen DMOS-Geräten verfügen sie über eine höhere Durchbruchspannung und höhere Strombelastbarkeit, aber der Einschaltwiderstand ist immer noch relativ groß.

LDMOS-Geräte verfügen über einen seitlichen Kanal und sind asymmetrische Leistungs-MOSFET-Geräte. Im Vergleich zu vertikalen DMOS-Geräten ermöglichen sie einen geringeren Einschaltwiderstand und schnellere Schaltgeschwindigkeiten.

Im Vergleich zu herkömmlichen MOSFETs weist DMOS eine höhere Betriebskapazität und einen geringeren Widerstand auf und wird daher häufig in elektronischen Hochleistungsgeräten wie Leistungsschaltern, Elektrowerkzeugen und Antrieben für Elektrofahrzeuge eingesetzt.

 

5. BiCMOS

Bipolares CMOS ist eine Technologie, die CMOS- und bipolare Geräte gleichzeitig auf demselben Chip integriert. Die Grundidee besteht darin, CMOS-Geräte als Hauptschaltkreis zu verwenden und bipolare Geräte oder Schaltkreise hinzuzufügen, wenn große kapazitive Lasten angesteuert werden müssen. Daher bieten BiCMOS-Schaltkreise die Vorteile einer hohen Integration und eines geringen Stromverbrauchs von CMOS-Schaltkreisen sowie die Vorteile einer hohen Geschwindigkeit und starken Stromtreiberfähigkeit von BJT-Schaltkreisen.

Die BiCMOS-SiGe-Technologie (Silizium-Germanium) von STMicroelectronics integriert HF-, analoge und digitale Teile auf einem einzigen Chip, wodurch die Anzahl externer Komponenten erheblich reduziert und der Stromverbrauch optimiert werden kann.

 

6. BCD

Bipolar-CMOS-DMOS, diese Technologie kann Bipolar-, CMOS- und DMOS-Geräte auf demselben Chip herstellen, genannt BCD-Prozess, der erstmals 1986 von STMicroelectronics (ST) erfolgreich entwickelt wurde.

Bipolar eignet sich für analoge Schaltkreise, CMOS eignet sich für digitale und logische Schaltkreise und DMOS eignet sich für Leistungs- und Hochspannungsgeräte. BCD vereint die Vorteile der drei. Nach kontinuierlicher Verbesserung wird BCD häufig in Produkten in den Bereichen Energiemanagement, analoge Datenerfassung und Leistungsaktoren eingesetzt. Laut der offiziellen Website von ST liegt der ausgereifte Prozess für BCD immer noch bei etwa 100 nm, 90 nm befindet sich noch im Prototypendesign und die 40-nm-BCD-Technologie gehört zu den in der Entwicklung befindlichen Produkten der nächsten Generation.