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Alors que les procédés de fabrication des semi-conducteurs continuent de progresser, une affirmation célèbre, la « loi de Moore », circule dans l'industrie. Proposée en 1965 par Gordon Moore, cofondateur d'Intel, elle stipule que le nombre de transistors pouvant être intégrés sur un circuit intégré double environ tous les 18 à 24 mois. Cette loi analyse et prédit non seulement l'évolution du secteur, mais elle constitue également un moteur essentiel du développement des procédés de fabrication des semi-conducteurs : l'objectif est de produire des transistors plus petits et aux performances plus stables. Des années 1950 à nos jours, soit en près de 70 ans, les technologies de procédés BJT, MOSFET, CMOS, DMOS, ainsi que les procédés hybrides BiCMOS et BCD ont été développées.
1. BJT
Le transistor bipolaire (BJT), communément appelé triode, fonctionne grâce à la circulation de charges due à la diffusion et au mouvement de dérive des porteurs de charge au niveau de la jonction PN. Du fait de la circulation simultanée d'électrons et de trous, il est qualifié de dispositif bipolaire.
Retour sur l'histoire de sa naissance. C'est avec l'idée de remplacer les triodes à vide par des amplificateurs à semi-conducteurs que Shockley proposa, durant l'été 1945, d'entreprendre des recherches fondamentales sur les semi-conducteurs. Au cours du second semestre 1945, les laboratoires Bell créèrent un groupe de recherche en physique du solide, dirigé par Shockley. Ce groupe réunissait non seulement des physiciens, mais aussi des ingénieurs en électronique et des chimistes, parmi lesquels Bardeen, physicien théoricien, et Brattain, physicien expérimental. En décembre 1947, un événement considéré comme une étape majeure par les générations futures se produisit : Bardeen et Brattain inventèrent avec succès le premier transistor à contact ponctuel au germanium au monde, avec amplification de courant.
Le premier transistor à contact ponctuel de Bardeen et Brattain
Peu après, en 1948, Shockley inventa le transistor bipolaire. Il proposa que ce transistor soit composé de deux jonctions pn, l'une polarisée en direct et l'autre en inverse, et obtint un brevet en juin 1948. En 1949, il publia la théorie détaillée du fonctionnement du transistor bipolaire. Plus de deux ans plus tard, les scientifiques et ingénieurs des laboratoires Bell mirent au point un procédé permettant la production en série de transistors bipolaires (étape cruciale en 1951), inaugurant ainsi une nouvelle ère pour l'électronique. En reconnaissance de leur contribution à l'invention du transistor, Shockley, Bardeen et Brattain reçurent conjointement le prix Nobel de physique en 1956.
Schéma structurel simplifié d'un transistor bipolaire NPN
Concernant la structure des transistors bipolaires, les plus courants sont de type NPN et PNP. Leur structure interne détaillée est illustrée ci-dessous. La région semi-conductrice dopée correspondant à l'émetteur est la région émettrice, caractérisée par une forte concentration de dopage ; la région semi-conductrice dopée correspondant à la base est la région de base, très mince et faiblement dopée ; la région semi-conductrice dopée correspondant au collecteur est la région collectrice, de grande surface et très faiblement dopée.
Les avantages de la technologie BJT sont une vitesse de réponse élevée, une transconductance élevée (les variations de tension d'entrée correspondent à de grandes variations du courant de sortie), un faible bruit, une précision analogique élevée et une forte capacité de pilotage du courant ; ses inconvénients sont une faible intégration (la profondeur verticale ne peut pas être réduite avec la taille latérale) et une consommation d'énergie élevée.
2. MOS
Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) est un transistor à effet de champ qui commande la commutation du canal conducteur semi-conducteur (S) en appliquant une tension à la grille de la couche métallique (M : aluminium) et à la source à travers la couche d'oxyde (O : SiO₂), générant ainsi un champ électrique. L'isolation entre la grille et la source, ainsi qu'entre la grille et le drain, par la couche isolante de SiO₂, confère au MOSFET le nom de transistor à effet de champ à grille isolée. En 1962, les laboratoires Bell annoncèrent officiellement sa mise au point, marquant une étape majeure dans l'histoire du développement des semi-conducteurs et jetant les bases techniques de l'avènement de la mémoire à semi-conducteurs.
Les MOSFET peuvent être classés en deux catégories selon le type de canal conducteur : canal P et canal N. Selon l’amplitude de la tension de grille, on distingue : les MOSFET à déplétion (lorsque la tension de grille est nulle, un canal conducteur existe entre le drain et la source) et les MOSFET à enrichissement (pour les MOSFET à canal N [P], un canal conducteur est présent uniquement lorsque la tension de grille est supérieure à zéro [inférieure à zéro], les MOSFET de puissance étant principalement des MOSFET à enrichissement de type N).
Les principales différences entre les transistors MOS et les triodes incluent, sans s'y limiter, les points suivants :
-Les triodes sont des dispositifs bipolaires car les porteurs majoritaires et minoritaires participent simultanément à la conduction ; tandis que le MOS ne conduit l’électricité que par l’intermédiaire des porteurs majoritaires dans les semi-conducteurs, et est également appelé transistor unipolaire.
-Les triodes sont des dispositifs commandés en courant avec une consommation d'énergie relativement élevée ; tandis que les MOSFET sont des dispositifs commandés en tension avec une faible consommation d'énergie.
Les triodes présentent une résistance à l'état passant élevée, tandis que les tubes MOS ont une faible résistance à l'état passant, de l'ordre de quelques centaines de milliohms. Dans les appareils électriques actuels, les tubes MOS sont généralement utilisés comme interrupteurs, principalement en raison de leur rendement relativement élevé par rapport aux triodes.
Les triodes présentent un coût relativement avantageux, tandis que les tubes MOS sont relativement chers.
De nos jours, les tubes MOS remplacent les triodes dans la plupart des applications. Ce n'est que dans certains cas, pour des applications à faible puissance ou peu sensibles à la puissance, que l'on utilise des triodes en raison de leur prix avantageux.
3. CMOS
Technologie CMOS (Semi-conducteur Métal Oxyde Complémentaire) : cette technologie utilise des transistors MOSFET (transistors semi-conducteurs métal-oxyde) complémentaires de type p et n pour la fabrication de dispositifs électroniques et de circuits logiques. La figure ci-dessous illustre un inverseur CMOS classique, utilisé pour la conversion « 1→0 » ou « 0→1 ».
La figure suivante représente une coupe transversale typique d'un transistor CMOS. La partie gauche correspond à un transistor NMOS, et la partie droite à un transistor PMOS. Les pôles G des deux transistors sont reliés entre eux pour former une entrée de grille commune, et leurs pôles D sont reliés entre eux pour former une sortie de drain commune. VDD est connecté à la source du transistor PMOS, et VSS à la source du transistor NMOS.
En 1963, Wanlass et Sah, de Fairchild Semiconductor, inventèrent le circuit CMOS. En 1968, RCA développa le premier circuit intégré CMOS, et depuis lors, cette technologie a connu un développement considérable. Ses avantages sont une faible consommation d'énergie et une intégration élevée (les procédés STI/LOCOS permettent d'améliorer encore cette intégration) ; son inconvénient réside dans l'existence d'un effet de verrouillage (la polarisation inverse de la jonction PN sert d'isolation entre les transistors MOS, et des interférences peuvent facilement créer une boucle de couplage et endommager le circuit).
4. DMOS
Semiconducteur à oxyde métallique à double diffusion : Similaire à la structure des transistors MOSFET classiques, il possède également des électrodes de source, de drain, de grille, etc., mais la tension de claquage côté drain est élevée. Un procédé de double diffusion est utilisé.
La figure ci-dessous représente la coupe transversale d'un DMOS à canal N standard. Ce type de transistor DMOS est généralement utilisé dans les applications de commutation côté bas, où la source du MOSFET est reliée à la masse. Il existe également un DMOS à canal P. Ce type de transistor DMOS est généralement utilisé dans les applications de commutation côté haut, où la source du MOSFET est reliée à une tension positive. À l'instar des transistors CMOS, les dispositifs DMOS complémentaires utilisent des MOSFET à canal N et à canal P sur la même puce afin de fournir des fonctions de commutation complémentaires.
Selon la direction du canal, le DMOS peut être divisé en deux types, à savoir le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à double diffusion verticale VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET) et le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à double diffusion latérale LDMOS (Lateral Double-Diffused MOSFET).
Les transistors VDMOS sont conçus avec un canal vertical. Comparés aux transistors DMOS latéraux, ils présentent une tension de claquage et une capacité de gestion du courant plus élevées, mais leur résistance à l'état passant reste relativement importante.
Les transistors LDMOS sont conçus avec un canal latéral et sont des MOSFET de puissance asymétriques. Comparés aux transistors DMOS verticaux, ils offrent une résistance à l'état passant plus faible et des vitesses de commutation plus rapides.
Comparé aux MOSFET traditionnels, le DMOS possède une capacité à l'état passant plus élevée et une résistance plus faible, ce qui explique son utilisation répandue dans les dispositifs électroniques de forte puissance tels que les interrupteurs de puissance, les outils électriques et les entraînements de véhicules électriques.
5. BiCMOS
La technologie CMOS bipolaire intègre simultanément des dispositifs CMOS et bipolaires sur une même puce. Son principe consiste à utiliser des dispositifs CMOS comme circuit unitaire principal et à ajouter des dispositifs ou circuits bipolaires pour gérer des charges capacitives importantes. Les circuits BiCMOS combinent ainsi la haute intégration et la faible consommation des circuits CMOS avec la vitesse élevée et la capacité de courant élevée des transistors bipolaires.
La technologie BiCMOS SiGe (silicium-germanium) de STMicroelectronics intègre les composants RF, analogiques et numériques sur une seule puce, ce qui permet de réduire considérablement le nombre de composants externes et d'optimiser la consommation d'énergie.
6. BCD
La technologie bipolaire-CMOS-DMOS permet de fabriquer des dispositifs bipolaires, CMOS et DMOS sur la même puce, un procédé appelé BCD, qui a été développé avec succès pour la première fois par STMicroelectronics (ST) en 1986.
La technologie bipolaire convient aux circuits analogiques, la technologie CMOS aux circuits numériques et logiques, et la technologie DMOS aux dispositifs de puissance et haute tension. La technologie BCD combine les avantages des trois. Grâce à des améliorations continues, elle est largement utilisée dans les produits de gestion de l'énergie, d'acquisition de données analogiques et d'actionneurs de puissance. Selon le site web officiel de ST, le procédé de fabrication BCD le plus abouti se situe autour de 100 nm, le procédé 90 nm est encore au stade de prototype, et la technologie 40 nm fait partie de ses produits de nouvelle génération en cours de développement.
Date de publication : 10 septembre 2024