BJT، CMOS، DMOS و سایر فناوری های فرآیند نیمه هادی

برای اطلاعات و مشاوره محصول به وب سایت ما خوش آمدید.

وب سایت ما:https://www.vet-china.com/

 

از آنجایی که فرآیندهای تولید نیمه هادی ها به پیشرفت های خود ادامه می دهند، بیانیه معروفی به نام "قانون مور" در این صنعت منتشر شده است. این توسط گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال 1965 پیشنهاد شد. محتوای اصلی آن این است: تعداد ترانزیستورهایی که می توانند در یک مدار مجتمع قرار گیرند تقریباً هر 18 تا 24 ماه دو برابر می شود. این قانون نه تنها تجزیه و تحلیل و پیش بینی روند توسعه صنعت است، بلکه یک نیروی محرکه برای توسعه فرآیندهای تولید نیمه هادی است - همه چیز برای ساخت ترانزیستورهایی با اندازه کوچکتر و عملکرد پایدار است. از دهه 1950 تا به امروز، حدود 70 سال، در مجموع فناوری‌های فرآیند BJT، MOSFET، CMOS، DMOS و ترکیبی BiCMOS و BCD توسعه یافته‌اند.

1. BJT
ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) که معمولاً به عنوان تریود شناخته می شود. جریان بار در ترانزیستور عمدتاً به دلیل انتشار و حرکت رانش حامل ها در اتصال PN است. از آنجایی که شامل جریان الکترون ها و حفره ها می شود، دستگاه دوقطبی نامیده می شود.

نگاهی به تاریخ تولد آن. به دلیل ایده جایگزینی تریودهای خلاء با تقویت کننده های جامد، شاکلی پیشنهاد انجام تحقیقات اساسی در مورد نیمه هادی ها را در تابستان 1945 داد. در نیمه دوم سال 1945، آزمایشگاه های بل یک گروه تحقیقاتی فیزیک حالت جامد به سرپرستی شاکلی تأسیس کردند. در این گروه نه تنها فیزیکدانان، بلکه مهندسان مدار و شیمیدانان نیز حضور دارند، از جمله باردین، فیزیکدان نظری، و براتین، فیزیکدان تجربی. در دسامبر 1947، رویدادی که نسل‌های بعدی آن را نقطه عطفی می‌دانستند، به طرز درخشانی اتفاق افتاد - باردین و براتین با موفقیت اولین ترانزیستور تماس نقطه‌ای ژرمانیومی جهان را با تقویت جریان اختراع کردند.

اولین ترانزیستور نقطه تماس باردین و براتین

مدت کوتاهی پس از آن، شاکلی ترانزیستور اتصال دوقطبی را در سال 1948 اختراع کرد. او پیشنهاد کرد که ترانزیستور می تواند از دو اتصال pn تشکیل شده باشد، یکی بایاس رو به جلو و دیگری بایاس معکوس، و در ژوئن 1948 یک حق اختراع به دست آورد. در سال 1949، او نظریه دقیق را منتشر کرد. از عملکرد ترانزیستور اتصال بیش از دو سال بعد، دانشمندان و مهندسان آزمایشگاه بل فرآیندی را برای دستیابی به تولید انبوه ترانزیستورهای پیوندی (نقطه عطف در سال 1951) توسعه دادند و عصر جدیدی از فناوری الکترونیک را باز کردند. شاکلی، باردین و براتین به پاس کمک هایشان در اختراع ترانزیستورها به طور مشترک جایزه نوبل فیزیک را در سال 1956 دریافت کردند.

نمودار ساختاری ساده ترانزیستور اتصال دوقطبی NPN

با توجه به ساختار ترانزیستورهای اتصال دوقطبی، BJT های رایج NPN و PNP هستند. ساختار داخلی دقیق در شکل زیر نشان داده شده است. ناحیه نیمه هادی ناخالصی مربوط به امیتر، ناحیه امیتر است که غلظت دوپینگ بالایی دارد. ناحیه نیمه هادی ناخالصی مربوط به پایه، ناحیه پایه است که دارای عرض بسیار نازک و غلظت دوپینگ بسیار کم است. ناحیه نیمه هادی ناخالصی مربوط به کلکتور، ناحیه کلکتور است که دارای مساحت زیاد و غلظت دوپینگ بسیار کم است.

مزایای فناوری BJT سرعت پاسخ بالا، رسانایی بالا (تغییرات ولتاژ ورودی مطابق با تغییرات زیاد جریان خروجی است)، نویز کم، دقت آنالوگ بالا و قابلیت حرکت جریان قوی. معایب آن یکپارچگی کم (عمق عمودی را نمی توان با اندازه جانبی کاهش داد) و مصرف انرژی بالا است.

2. MOS

ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز (Metal Oxide Semiconductor FET)، یعنی ترانزیستور اثر میدانی که کلید کانال رسانای نیمه هادی (S) را با اعمال ولتاژ به دروازه لایه فلزی (آلومینیوم M-metal) کنترل می کند. منبع از طریق لایه اکسید (O-عایق لایه SiO2) برای تولید اثر میدان الکتریکی. از آنجایی که گیت و منبع و گیت و درین توسط لایه عایق SiO2 ایزوله می شوند، ماسفت را ترانزیستور اثر میدان گیت عایق نیز می نامند. در سال 1962، آزمایشگاه بل رسما توسعه موفقیت آمیز را اعلام کرد، که به یکی از مهم ترین نقاط عطف در تاریخ توسعه نیمه هادی ها تبدیل شد و به طور مستقیم پایه های فنی ظهور حافظه نیمه هادی را گذاشت.

ماسفت را می توان با توجه به نوع کانال رسانا به کانال P و کانال N تقسیم کرد. با توجه به دامنه ولتاژ دروازه، می توان آن را به موارد زیر تقسیم کرد: نوع تخلیه - زمانی که ولتاژ دروازه صفر است، یک کانال رسانا بین تخلیه و منبع وجود دارد. نوع تقویت - برای دستگاه های کانال N (P)، تنها زمانی یک کانال رسانا وجود دارد که ولتاژ دروازه بزرگتر از (کمتر از) صفر باشد، و ماسفت توان عمدتاً از نوع تقویت کانال N است.

تفاوت های اصلی بین MOS و triode شامل موارد زیر است اما محدود به آنها نیست:

تریودها دستگاه های دوقطبی هستند زیرا حامل های اکثریت و اقلیت به طور همزمان در هدایت شرکت می کنند. در حالی که MOS فقط الکتریسیته را از طریق حامل های عمده در نیمه هادی ها هدایت می کند و ترانزیستور تک قطبی نیز نامیده می شود.
-Triode ها دستگاه های کنترل جریان با مصرف برق نسبتا بالا هستند. در حالی که ماسفت ها دستگاه های کنترل شده با ولتاژ با مصرف برق کم هستند.
-Triode ها مقاومت روشن زیادی دارند، در حالی که لوله های MOS مقاومت روشن کمی دارند، فقط چند صد میلی اهم. در دستگاه های الکتریکی فعلی، لوله های MOS به طور کلی به عنوان سوئیچ استفاده می شوند، عمدتاً به این دلیل که راندمان MOS در مقایسه با تریودها نسبتاً بالا است.
تریودها هزینه نسبتاً مناسبی دارند و لوله های MOS نسبتاً گران هستند.
- امروزه از لوله های MOS برای جایگزینی تریود در اکثر سناریوها استفاده می شود. فقط در برخی از سناریوهای کم مصرف یا حساس به توان، با در نظر گرفتن مزیت قیمت از تریود استفاده خواهیم کرد.
3. CMOS

نیمه هادی اکسید فلزی مکمل: فناوری CMOS از ترانزیستورهای نیمه هادی اکسید فلزی نوع p و نوع n (MOSFET) برای ساخت دستگاه های الکترونیکی و مدارهای منطقی استفاده می کند. شکل زیر یک اینورتر معمولی CMOS را نشان می دهد که برای تبدیل "1→0" یا "0→1" استفاده می شود.

شکل زیر یک مقطع معمولی CMOS است. سمت چپ NMS و سمت راست PMOS است. قطب های G دو MOS به عنوان یک ورودی دروازه مشترک و قطب های D به عنوان یک خروجی تخلیه مشترک به یکدیگر متصل می شوند. VDD به منبع PMOS و VSS به منبع NMOS متصل است.

در سال 1963، Wanlass و Sah از Fairchild Semiconductor مدار CMOS را اختراع کردند. در سال 1968، شرکت رادیویی آمریکا (RCA) اولین محصول مدار مجتمع CMOS را توسعه داد و از آن زمان، مدار CMOS به پیشرفت بزرگی دست یافت. مزایای آن مصرف انرژی کم و یکپارچگی بالا است (فرآیند STI/LOCOS می تواند ادغام را بیشتر بهبود بخشد). نقطه ضعف آن وجود یک اثر قفل است (بایاس معکوس اتصال PN به عنوان جداسازی بین لوله های MOS استفاده می شود و تداخل می تواند به راحتی یک حلقه تقویت شده را تشکیل دهد و مدار را بسوزاند).

4. DMOS
نیمه هادی اکسید فلزی دو پراکنده: مشابه ساختار دستگاه های ماسفت معمولی، دارای منبع، تخلیه، دروازه و سایر الکترودها است، اما ولتاژ شکست انتهای تخلیه بالا است. از فرآیند انتشار دوگانه استفاده می شود.

شکل زیر سطح مقطع یک DMOS استاندارد کانال N را نشان می دهد. این نوع دستگاه DMOS معمولاً در برنامه های سوئیچینگ سمت پایین استفاده می شود، جایی که منبع ماسفت به زمین متصل است. علاوه بر این، یک DMOS کانال P نیز وجود دارد. این نوع دستگاه DMOS معمولاً در برنامه های سوئیچینگ سمت بالا استفاده می شود، جایی که منبع ماسفت به یک ولتاژ مثبت متصل است. مشابه CMOS، دستگاه‌های DMOS مکمل از ماسفت‌های کانال N و کانال P در یک تراشه برای ارائه عملکردهای سوئیچینگ مکمل استفاده می‌کنند.

بسته به جهت کانال، DMOS را می توان به دو نوع تقسیم کرد، یعنی ترانزیستور افکت میدانی نیمه هادی اکسید فلزی دوگانه عمودی VDMOS (MOSFET عمودی دو پراکنده) و ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی دوگانه جانبی LDMOS (جانبی دوگانه) - ماسفت پراکنده).

دستگاه های VDMOS با یک کانال عمودی طراحی شده اند. در مقایسه با دستگاه‌های DMOS جانبی، ولتاژ شکست و قابلیت‌های مدیریت جریان بالاتری دارند، اما مقاومت روشن هنوز نسبتاً بزرگ است.

دستگاه های LDMOS با کانال جانبی طراحی شده اند و دستگاه های ماسفت قدرت نامتقارن هستند. در مقایسه با دستگاه‌های DMOS عمودی، آن‌ها امکان مقاومت کمتر و سرعت سوئیچینگ سریع‌تر را فراهم می‌کنند.

در مقایسه با ماسفت‌های سنتی، DMOS ظرفیت روشنایی بالاتر و مقاومت کمتری دارد، بنابراین به طور گسترده در دستگاه‌های الکترونیکی پرقدرت مانند سوئیچ‌های برق، ابزارهای برقی و درایوهای وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شود.

5. BiCMOS
Bipolar CMOS یک فناوری است که CMOS و دستگاه های دوقطبی را به طور همزمان روی یک تراشه یکپارچه می کند. ایده اصلی آن استفاده از دستگاه‌های CMOS به‌عنوان مدار واحد اصلی، و افزودن دستگاه‌های دوقطبی یا مدارهایی است که در آن بارهای خازنی بزرگ مورد نیاز است. بنابراین مدارهای BiCMOS دارای مزایای یکپارچگی بالا و مصرف برق کم مدارهای CMOS و مزایای سرعت بالا و قابلیت حرکت جریان قوی مدارهای BJT هستند.

فناوری BiCMOS SiGe (سیلیکون ژرمانیوم) STMicroelectronics قطعات RF، آنالوگ و دیجیتال را بر روی یک تراشه واحد ادغام می کند که می تواند تعداد قطعات خارجی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و مصرف انرژی را بهینه کند.

6. BCD
Bipolar-CMOS-DMOS، این فناوری می‌تواند دستگاه‌های دوقطبی، CMOS و DMOS را روی یک تراشه ایجاد کند که فرآیند BCD نامیده می‌شود، که برای اولین بار توسط STMicroelectronics (ST) در سال 1986 با موفقیت توسعه یافت.

Bipolar برای مدارهای آنالوگ، CMOS برای مدارهای دیجیتال و منطقی و DMOS برای دستگاه های برق و ولتاژ بالا مناسب است. BCD مزایای این سه را ترکیب می کند. پس از بهبود مستمر، BCD به طور گسترده ای در محصولات در زمینه های مدیریت توان، جمع آوری داده های آنالوگ و محرک های قدرت استفاده می شود. طبق وب سایت رسمی ST، فرآیند بالغ برای BCD هنوز حدود 100 نانومتر است، 90 نانومتر هنوز در طراحی نمونه اولیه است و فناوری 40 نانومترBCD متعلق به محصولات نسل بعدی آن در حال توسعه است.