BJT, CMOS, DMOS un citas pusvadītāju procesa tehnoloģijas

Laipni lūdzam mūsu tīmekļa vietnē, lai iegūtu informāciju par produktiem un konsultācijas.

Mūsu mājas lapa:https://www.vet-china.com/

 

Tā kā pusvadītāju ražošanas procesi turpina gūt panākumus, nozarē ir izplatījies slavenais paziņojums ar nosaukumu "Mūra likums". To 1965. gadā ierosināja Gordons Mūrs, viens no Intel dibinātājiem. Tās galvenais saturs ir: tranzistoru skaits, ko var ievietot integrālajā shēmā, dubultosies aptuveni ik pēc 18 līdz 24 mēnešiem. Šis likums ir ne tikai nozares attīstības tendenču analīze un prognoze, bet arī pusvadītāju ražošanas procesu attīstības virzītājspēks - viss ir izgatavot tranzistorus ar mazāku izmēru un stabilu veiktspēju. No 1950. gadiem līdz mūsdienām, aptuveni 70 gadiem, kopumā ir izstrādātas BJT, MOSFET, CMOS, DMOS un hibrīda BiCMOS un BCD procesu tehnoloģijas.

 

1. BJT

Bipolārā savienojuma tranzistors (BJT), pazīstams kā triode. Uzlādes plūsma tranzistorā galvenokārt ir saistīta ar nesēju difūziju un dreifēšanas kustību PN krustojumā. Tā kā tas ietver gan elektronu, gan caurumu plūsmu, to sauc par bipolāru ierīci.

Atskatoties uz tās dzimšanas vēsturi. Ņemot vērā ideju aizstāt vakuuma triodes ar cietajiem pastiprinātājiem, 1945. gada vasarā Šoklijs ierosināja veikt pusvadītāju pamatpētījumus. 1945. gada otrajā pusē Bell Labs izveidoja cietvielu fizikas pētniecības grupu Šoklija vadībā. Šajā grupā ir ne tikai fiziķi, bet arī ķēžu inženieri un ķīmiķi, tostarp Bārdīns, teorētiskais fiziķis un Bratēns, eksperimentālais fiziķis. 1947. gada decembrī izcili notika notikums, ko vēlākās paaudzes uzskatīja par pagrieziena punktu – Bārdīns un Breteins veiksmīgi izgudroja pasaulē pirmo germānija punktkontakta tranzistoru ar strāvas pastiprinājumu.

Bārdīna un Brateina pirmais punktkontakta tranzistors

Neilgi pēc tam Šoklijs 1948. gadā izgudroja bipolārā savienojuma tranzistoru. Viņš ierosināja, ka tranzistoru var veidot no diviem pn savienojumiem, no kuriem viens ir nobīdīts uz priekšu un otrs ar nobīdi, un 1948. gada jūnijā ieguva patentu. 1949. gadā viņš publicēja detalizētu teoriju. savienojuma tranzistora darbību. Vairāk nekā divus gadus vēlāk Bell Labs zinātnieki un inženieri izstrādāja procesu, lai panāktu savienojuma tranzistoru masveida ražošanu (pagrieziena punkts 1951. gadā), atklājot jaunu elektronisko tehnoloģiju ēru. Atzīstot viņu ieguldījumu tranzistoru izgudrošanā, Šoklijs, Bārdīns un Breteins kopīgi ieguva Nobela prēmiju fizikā 1956. gadā.

Vienkārša NPN bipolārā savienojuma tranzistora strukturālā diagramma

Attiecībā uz bipolārā savienojuma tranzistoru struktūru parastie BJT ir NPN un PNP. Detalizēta iekšējā struktūra ir parādīta attēlā zemāk. Emitētājam atbilstošais piemaisījumu pusvadītāju apgabals ir emitētāja apgabals, kuram ir augsta dopinga koncentrācija; bāzei atbilstošais piemaisījumu pusvadītāju apgabals ir bāzes apgabals, kuram ir ļoti plāns platums un ļoti zema dopinga koncentrācija; kolektoram atbilstošais piemaisījumu pusvadītāju apgabals ir kolektora apgabals, kuram ir liela platība un ļoti zema dopinga koncentrācija.

BJT tehnoloģijas priekšrocības ir liels reakcijas ātrums, augsta transvadītspēja (ieejas sprieguma izmaiņas atbilst lielām izejas strāvas izmaiņām), zems trokšņa līmenis, augsta analogā precizitāte un spēcīga strāvas vadīšanas spēja; trūkumi ir zemā integrācija (vertikālo dziļumu nevar samazināt ar sānu izmēru) un liels enerģijas patēriņš.

 

2. MOS

Metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistors (Metal Oxide Semiconductor FET), tas ir, lauka efekta tranzistors, kas kontrolē pusvadītāja (S) vadošā kanāla slēdzi, pieliekot spriegumu uz metāla slāņa (M-metāla alumīnija) vārtiem un avots caur oksīda slāni (O-izolācijas slānis SiO2), lai radītu elektriskā lauka efektu. Tā kā vārti un avots, kā arī vārti un noteka ir izolēti ar SiO2 izolācijas slāni, MOSFET sauc arī par izolētu vārtu lauka efekta tranzistoru. 1962. gadā Bell Labs oficiāli paziņoja par veiksmīgo izstrādi, kas kļuva par vienu no svarīgākajiem pavērsieniem pusvadītāju izstrādes vēsturē un tieši ielika tehnisko pamatu pusvadītāju atmiņas parādīšanās.

MOSFET var iedalīt P kanālā un N kanālā atbilstoši vadošā kanāla veidam. Atbilstoši vārtu sprieguma amplitūdai to var iedalīt: izsīkuma tips-kad vārtu spriegums ir nulle, starp noteci un avotu ir vadošs kanāls; uzlabošanas veids — N (P) kanāla ierīcēm vadošs kanāls ir tikai tad, ja vārtu spriegums ir lielāks par (mazāks par) nulli, un jaudas MOSFET galvenokārt ir N kanāla uzlabošanas veids.

Galvenās atšķirības starp MOS un triodi ietver, bet neaprobežojas ar šādiem punktiem:

-Triodes ir bipolāras ierīces, jo gan vairākuma, gan mazākuma nesēji piedalās vadīšanā vienlaikus; savukārt MOS vada elektrību tikai caur vairākuma nesējiem pusvadītājos, un to sauc arī par vienpolāru tranzistoru.
-Triodes ir strāvas vadītas ierīces ar salīdzinoši lielu enerģijas patēriņu; savukārt MOSFET ir sprieguma kontrolētas ierīces ar zemu enerģijas patēriņu.
-Triodēm ir liela ieslēgšanas pretestība, savukārt MOS lampām ir maza ieslēgšanas pretestība, tikai daži simti miliomu. Pašreizējās elektriskās ierīcēs MOS lampas parasti izmanto kā slēdžus, galvenokārt tāpēc, ka MOS efektivitāte ir salīdzinoši augsta salīdzinājumā ar triodēm.
-Triodēm ir salīdzinoši izdevīgas izmaksas, un MOS lampas ir salīdzinoši dārgas.
-Mūsdienās MOS lampas tiek izmantotas, lai aizstātu triodes vairumā gadījumu. Tikai dažos mazjaudas vai enerģijas nejutīgos scenārijos mēs izmantosim triodes, ņemot vērā cenas priekšrocības.

3. CMOS

Papildu metāla oksīda pusvadītājs: CMOS tehnoloģija izmanto papildinošus p-tipa un n-tipa metāla oksīda pusvadītāju tranzistorus (MOSFET), lai izveidotu elektroniskas ierīces un loģiskās shēmas. Nākamajā attēlā parādīts izplatīts CMOS invertors, kas tiek izmantots konvertēšanai "1→0" vai "0→1".

Šis attēls ir tipisks CMOS šķērsgriezums. Kreisajā pusē ir NMS, bet labajā pusē ir PMOS. Abu MOS G stabi ir savienoti kopā kā kopēja vārtu ieeja, un D stabi ir savienoti kopā kā kopēja drenāžas izeja. VDD ir savienots ar PMOS avotu, un VSS ir savienots ar NMOS avotu.

1963. gadā Wanlass un Sah no Fairchild Semiconductor izgudroja CMOS shēmu. 1968. gadā American Radio Corporation (RCA) izstrādāja pirmo CMOS integrētās shēmas produktu, un kopš tā laika CMOS shēma ir sasniegusi lielu attīstību. Tās priekšrocības ir zems enerģijas patēriņš un augsta integrācija (STI/LOCOS process var vēl vairāk uzlabot integrāciju); tā trūkums ir bloķēšanas efekta esamība (PN savienojuma apgrieztā nobīde tiek izmantota kā izolācija starp MOS caurulēm, un traucējumi var viegli izveidot uzlabotu cilpu un sadedzināt ķēdi).

 

4. DMOS

Divkāršās izkliedētās metāla oksīda pusvadītājs: līdzīgi kā parasto MOSFET ierīču struktūrai, tam ir arī avota, kanalizācijas, vārtu un citi elektrodi, taču drenāžas gala pārrāvuma spriegums ir augsts. Tiek izmantots dubultās difūzijas process.

Zemāk redzamajā attēlā parādīts standarta N-kanālu DMOS šķērsgriezums. Šāda veida DMOS ierīces parasti izmanto zemas puses komutācijas lietojumprogrammās, kur MOSFET avots ir savienots ar zemi. Turklāt ir P-kanāla DMOS. Šāda veida DMOS ierīces parasti izmanto augstas puses komutācijas lietojumprogrammās, kur MOSFET avots ir savienots ar pozitīvu spriegumu. Līdzīgi kā CMOS, papildu DMOS ierīces izmanto N-kanālu un P-kanālu MOSFET vienā mikroshēmā, lai nodrošinātu papildu pārslēgšanas funkcijas.

Atkarībā no kanāla virziena DMOS var iedalīt divos veidos, proti, vertikālais divkāršās izkliedes metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistors VDMOS (vertikālais dubultdiffūzais MOSFET) un sānu divkāršā izkliedēta metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistors LDMOS (Lateral Double-Diffused) -Izkliedēts MOSFET).

VDMOS ierīces ir veidotas ar vertikālu kanālu. Salīdzinot ar sānu DMOS ierīcēm, tām ir augstāks pārrāvuma spriegums un strāvas apstrādes iespējas, taču ieslēgšanas pretestība joprojām ir salīdzinoši liela.

LDMOS ierīces ir izstrādātas ar sānu kanālu un ir asimetriskas jaudas MOSFET ierīces. Salīdzinot ar vertikālajām DMOS ierīcēm, tās nodrošina mazāku ieslēgšanas pretestību un lielāku pārslēgšanās ātrumu.

Salīdzinot ar tradicionālajiem MOSFET, DMOS ir lielāka ieslēgšanas kapacitāte un mazāka pretestība, tāpēc to plaši izmanto lieljaudas elektroniskajās ierīcēs, piemēram, strāvas slēdžos, elektroinstrumentos un elektrisko transportlīdzekļu piedziņās.

 

5. BiCMOS

Bipolar CMOS ir tehnoloģija, kas vienlaikus integrē CMOS un bipolārās ierīces vienā mikroshēmā. Tās pamatideja ir izmantot CMOS ierīces kā galvenās ierīces ķēdi un pievienot bipolārās ierīces vai shēmas, kurās ir nepieciešamas lielas kapacitatīvās slodzes. Tāpēc BiCMOS shēmām ir CMOS ķēžu augsta integrācija un zems enerģijas patēriņš, kā arī BJT ķēžu liela ātruma un spēcīgas strāvas vadīšanas iespējas.

STMicroelectronics BiCMOS SiGe (silīcija germānija) tehnoloģija integrē RF, analogās un digitālās daļas vienā mikroshēmā, kas var ievērojami samazināt ārējo komponentu skaitu un optimizēt enerģijas patēriņu.

 

6. BCD

Bipolar-CMOS-DMOS, šī tehnoloģija var izveidot bipolāras, CMOS un DMOS ierīces vienā mikroshēmā, ko sauc par BCD procesu, ko pirmo reizi veiksmīgi izstrādāja STMicroelectronics (ST) 1986. gadā.

Bipolāri ir piemēroti analogajām shēmām, CMOS ir piemērotas digitālajām un loģiskajām shēmām, un DMOS ir piemērotas jaudas un augstsprieguma ierīcēm. BCD apvieno trīs priekšrocības. Pēc nepārtrauktas uzlabošanas BCD tiek plaši izmantots produktos jaudas pārvaldības, analogo datu iegūšanas un jaudas izpildmehānismu jomā. Saskaņā ar ST oficiālo vietni, nobriedis process BCD joprojām ir aptuveni 100 nm, 90 nm joprojām ir prototipa dizainā, un 40 nmBCD tehnoloģija pieder tās nākamās paaudzes produktiem, kas tiek izstrādāti.