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A medida que los procesos de fabricación de semiconductores continúan logrando avances, ha estado circulando en la industria una famosa declaración llamada "Ley de Moore". Fue propuesto por Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, en 1965. Su contenido principal es: el número de transistores que se pueden acomodar en un circuito integrado se duplicará aproximadamente cada 18 a 24 meses. Esta ley no es sólo un análisis y una predicción de la tendencia de desarrollo de la industria, sino también una fuerza impulsora para el desarrollo de los procesos de fabricación de semiconductores: todo tiene como objetivo fabricar transistores de menor tamaño y rendimiento estable. Desde la década de 1950 hasta la actualidad, aproximadamente 70 años, se han desarrollado un total de tecnologías de procesos BJT, MOSFET, CMOS, DMOS y BiCMOS y BCD híbridos.
1.BJT
Transistor de unión bipolar (BJT), comúnmente conocido como triodo. El flujo de carga en el transistor se debe principalmente al movimiento de difusión y deriva de los portadores en la unión PN. Dado que implica el flujo de electrones y huecos, se llama dispositivo bipolar.
Una mirada retrospectiva a la historia de su nacimiento. Debido a la idea de reemplazar los triodos de vacío con amplificadores sólidos, Shockley propuso llevar a cabo una investigación básica sobre semiconductores en el verano de 1945. En la segunda mitad de 1945, Bell Labs estableció un grupo de investigación de física del estado sólido encabezado por Shockley. En este grupo no sólo hay físicos, sino también ingenieros de circuitos y químicos, entre ellos Bardeen, un físico teórico, y Brattain, un físico experimental. En diciembre de 1947 tuvo lugar brillantemente un acontecimiento que las generaciones posteriores consideraron un hito: Bardeen y Brattain inventaron con éxito el primer transistor de contacto puntual de germanio del mundo con amplificación de corriente.
El primer transistor de contacto puntual de Bardeen y Brattain
Poco después, Shockley inventó el transistor de unión bipolar en 1948. Propuso que el transistor puede estar compuesto por dos uniones pn, una con polarización directa y la otra con polarización inversa, y obtuvo una patente en junio de 1948. En 1949, publicó la teoría detallada. del funcionamiento del transistor de unión. Más de dos años después, los científicos e ingenieros de los Laboratorios Bell desarrollaron un proceso para lograr la producción en masa de transistores de unión (un hito en 1951), abriendo una nueva era de la tecnología electrónica. En reconocimiento a sus contribuciones a la invención de los transistores, Shockley, Bardeen y Brattain ganaron conjuntamente el Premio Nobel de Física de 1956.
Diagrama estructural simple del transistor de unión bipolar NPN
En cuanto a la estructura de los transistores de unión bipolar, los BJT comunes son NPN y PNP. La estructura interna detallada se muestra en la siguiente figura. La región semiconductora de impurezas correspondiente al emisor es la región del emisor, que tiene una alta concentración de dopaje; la región semiconductora de impurezas correspondiente a la base es la región de base, que tiene una anchura muy fina y una concentración de dopaje muy baja; la región semiconductora de impurezas correspondiente al colector es la región del colector, que tiene un área grande y una concentración de dopaje muy baja.
Las ventajas de la tecnología BJT son alta velocidad de respuesta, alta transconductancia (los cambios de voltaje de entrada corresponden a grandes cambios de corriente de salida), bajo ruido, alta precisión analógica y fuerte capacidad de conducción de corriente; las desventajas son la baja integración (la profundidad vertical no se puede reducir con el tamaño lateral) y el alto consumo de energía.
2.MOS
Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (FET de semiconductor de óxido metálico), es decir, un transistor de efecto de campo que controla el interruptor del canal conductor del semiconductor (S) aplicando voltaje a la puerta de la capa metálica (aluminio metálico M) y al fuente a través de la capa de óxido (capa aislante de O SiO2) para generar el efecto del campo eléctrico. Dado que la puerta y la fuente, y la puerta y el drenaje están aislados por la capa aislante de SiO2, el MOSFET también se denomina transistor de efecto de campo de puerta aislada. En 1962, Bell Labs anunció oficialmente el desarrollo exitoso, que se convirtió en uno de los hitos más importantes en la historia del desarrollo de semiconductores y sentó directamente las bases técnicas para la llegada de la memoria de semiconductores.
MOSFET se puede dividir en canal P y canal N según el tipo de canal conductor. Según la amplitud del voltaje de la puerta, se puede dividir en: tipo de agotamiento: cuando el voltaje de la puerta es cero, hay un canal conductor entre el drenaje y la fuente; Tipo de mejora: para dispositivos de canal N (P), hay un canal conductor solo cuando el voltaje de la puerta es mayor que (menor que) cero, y el MOSFET de potencia es principalmente del tipo de mejora de canal N.
Las principales diferencias entre MOS y triodo incluyen, entre otras, los siguientes puntos:
-Los triodos son dispositivos bipolares porque tanto los portadores mayoritarios como los minoritarios participan en la conducción al mismo tiempo; mientras que el MOS sólo conduce electricidad a través de portadores mayoritarios en los semiconductores y también se le llama transistor unipolar.
-Los triodos son dispositivos controlados por corriente con un consumo de energía relativamente alto; mientras que los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje con bajo consumo de energía.
-Los triodos tienen una gran resistencia, mientras que los tubos MOS tienen una pequeña resistencia, sólo unos pocos cientos de miliohmios. En los dispositivos eléctricos actuales, los tubos MOS se utilizan generalmente como interruptores, principalmente porque la eficiencia de los MOS es relativamente alta en comparación con los triodos.
-Los triodos tienen un coste relativamente ventajoso y los tubos MOS son relativamente caros.
-Hoy en día, los tubos MOS se utilizan para reemplazar los triodos en la mayoría de los escenarios. Sólo en algunos escenarios de baja potencia o insensibles a la potencia, usaremos triodos considerando la ventaja de precio.
3. CMOS
Semiconductor de óxido metálico complementario: la tecnología CMOS utiliza transistores semiconductores de óxido metálico (MOSFET) complementarios de tipo p y tipo n para construir dispositivos electrónicos y circuitos lógicos. La siguiente figura muestra un inversor CMOS común, que se utiliza para la conversión "1→0" o "0→1".
La siguiente figura es una sección transversal típica de CMOS. El lado izquierdo es NMS y el lado derecho es PMOS. Los polos G de los dos MOS están conectados entre sí como una entrada de puerta común y los polos D están conectados entre sí como una salida de drenaje común. VDD está conectado a la fuente de PMOS y VSS está conectado a la fuente de NMOS.
En 1963, Wanlass y Sah de Fairchild Semiconductor inventaron el circuito CMOS. En 1968, American Radio Corporation (RCA) desarrolló el primer producto de circuito integrado CMOS y, desde entonces, el circuito CMOS ha logrado un gran desarrollo. Sus ventajas son el bajo consumo de energía y la alta integración (el proceso STI/LOCOS puede mejorar aún más la integración); su desventaja es la existencia de un efecto de bloqueo (la polarización inversa de la unión PN se utiliza como aislamiento entre los tubos MOS, y la interferencia puede formar fácilmente un bucle mejorado y quemar el circuito).
4.DMOS
Semiconductor de óxido metálico de doble difusión: similar a la estructura de los dispositivos MOSFET ordinarios, también tiene fuente, drenaje, compuerta y otros electrodos, pero el voltaje de ruptura del extremo del drenaje es alto. Se utiliza el proceso de doble difusión.
La siguiente figura muestra la sección transversal de un DMOS de canal N estándar. Este tipo de dispositivo DMOS se usa generalmente en aplicaciones de conmutación de lado bajo, donde la fuente del MOSFET está conectada a tierra. Además, hay un DMOS de canal P. Este tipo de dispositivo DMOS se usa generalmente en aplicaciones de conmutación de lado alto, donde la fuente del MOSFET está conectada a un voltaje positivo. Al igual que los CMOS, los dispositivos DMOS complementarios utilizan MOSFET de canal N y canal P en el mismo chip para proporcionar funciones de conmutación complementarias.
Dependiendo de la dirección del canal, DMOS se puede dividir en dos tipos, a saber, transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico de doble difusión vertical VDMOS (MOSFET vertical de doble difusión) y transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico de doble difusión lateral LDMOS (doble -MOSFET difuso).
Los dispositivos VDMOS están diseñados con un canal vertical. En comparación con los dispositivos DMOS laterales, tienen mayores capacidades de manejo de corriente y voltaje de ruptura, pero la resistencia sigue siendo relativamente grande.
Los dispositivos LDMOS están diseñados con un canal lateral y son dispositivos MOSFET de potencia asimétrica. En comparación con los dispositivos DMOS verticales, permiten una menor resistencia y velocidades de conmutación más rápidas.
En comparación con los MOSFET tradicionales, DMOS tiene una mayor capacitancia y una menor resistencia, por lo que se usa ampliamente en dispositivos electrónicos de alta potencia, como interruptores, herramientas eléctricas y accionamientos de vehículos eléctricos.
5. BiCMOS
Bipolar CMOS es una tecnología que integra CMOS y dispositivos bipolares en el mismo chip al mismo tiempo. Su idea básica es utilizar dispositivos CMOS como circuito unitario principal y agregar dispositivos o circuitos bipolares donde se requiere controlar grandes cargas capacitivas. Por lo tanto, los circuitos BiCMOS tienen las ventajas de alta integración y bajo consumo de energía de los circuitos CMOS, y las ventajas de alta velocidad y fuertes capacidades de conducción de corriente de los circuitos BJT.
La tecnología BiCMOS SiGe (silicio germanio) de STMicroelectronics integra piezas de RF, analógicas y digitales en un solo chip, lo que puede reducir significativamente la cantidad de componentes externos y optimizar el consumo de energía.
6. chaleco
Bipolar-CMOS-DMOS, esta tecnología puede crear dispositivos bipolares, CMOS y DMOS en el mismo chip, llamado proceso BCD, que fue desarrollado con éxito por primera vez por STMicroelectronics (ST) en 1986.
Bipolar es adecuado para circuitos analógicos, CMOS es adecuado para circuitos digitales y lógicos y DMOS es adecuado para dispositivos de potencia y de alto voltaje. BCD combina las ventajas de los tres. Después de una mejora continua, BCD se usa ampliamente en productos en los campos de administración de energía, adquisición de datos analógicos y actuadores de potencia. Según el sitio web oficial de ST, el proceso maduro para BCD aún ronda los 100 nm, 90 nm aún está en diseño de prototipo y la tecnología BCD de 40 nm pertenece a sus productos de próxima generación en desarrollo.
Hora de publicación: 10 de septiembre de 2024