BJT, CMOS, DMOS a ďalšie technológie polovodičových procesov

Vitajte na našej webovej stránke, kde nájdete informácie o produktoch a konzultácie.

Náš web:https://www.vet-china.com/

 

Keďže procesy výroby polovodičov naďalej prinášajú prelomy, v tomto odvetví koluje známy výrok s názvom „Mooreov zákon“. Navrhol ho Gordon Moore, jeden zo zakladateľov Intelu, v roku 1965. Jeho hlavným obsahom je: počet tranzistorov, ktoré je možné umiestniť na integrovaný obvod, sa zdvojnásobí približne každých 18 až 24 mesiacov. Tento zákon nie je len analýzou a predikciou trendu vývoja odvetvia, ale aj hybnou silou rozvoja procesov výroby polovodičov – všetko je preto, aby sa vyrábali tranzistory s menšou veľkosťou a stabilným výkonom. Od 50. rokov 20. storočia až po súčasnosť, približne 70 rokov, sa celkovo vyvinuli technológie BJT, MOSFET, CMOS, DMOS a hybridné technológie BiCMOS a BCD.

 

1. BJT

Bipolárny tranzistor (BJT), bežne známy ako trióda. Tok náboja v tranzistore je spôsobený hlavne difúznym a driftovým pohybom nosičov na PN prechode. Keďže zahŕňa tok elektrónov aj dier, nazýva sa to bipolárne zariadenie.

Pohľad späť do histórie jeho zrodu. Kvôli myšlienke nahradiť vákuové triódy pevnými zosilňovačmi, Shockley navrhol uskutočniť základný výskum polovodičov v lete 1945. V druhej polovici roku 1945 Bell Labs založili výskumnú skupinu fyziky pevných látok, ktorú viedol Shockley. V tejto skupine sú nielen fyzici, ale aj obvodní inžinieri a chemici, medzi ktoré patrí Bardeen, teoretický fyzik, a Brattain, experimentálny fyzik. V decembri 1947 sa skvelo stala udalosť, ktorú neskoršie generácie považovali za míľnik – Bardeen a Brattain úspešne vynašli prvý germániový bodový kontaktný tranzistor na svete s prúdovým zosilnením.

Prvý bodový kontaktný tranzistor Bardeena a Brattaina

Krátko nato vynašiel Shockley v roku 1948 tranzistor s bipolárnym prechodom. Navrhol, že tranzistor môže byť zložený z dvoch prechodov pn, jedného s predpätím a druhého so spätným predpätím, a získal patent v júni 1948. V roku 1949 publikoval podrobnú teóriu o činnosti prechodového tranzistora. O viac ako dva roky neskôr vedci a inžinieri v Bell Labs vyvinuli proces na dosiahnutie masovej výroby prechodových tranzistorov (míľnik v roku 1951), čím sa otvorila nová éra elektronických technológií. Ako uznanie za ich prínos k vynálezu tranzistorov Shockley, Bardeen a Brattain spoločne získali v roku 1956 Nobelovu cenu za fyziku.

Jednoduchá štrukturálna schéma bipolárneho tranzistora NPN

Pokiaľ ide o štruktúru bipolárnych tranzistorov, bežné BJT sú NPN a PNP. Podrobná vnútorná štruktúra je znázornená na obrázku nižšie. Nečistotná polovodičová oblasť zodpovedajúca žiariču je oblasť žiariča, ktorá má vysokú koncentráciu dopingu; oblasť prímesového polovodiča zodpovedajúca báze je oblasť bázy, ktorá má veľmi tenkú šírku a veľmi nízku koncentráciu dopingu; oblasť prímesového polovodiča zodpovedajúca kolektoru je oblasť kolektora, ktorá má veľkú plochu a veľmi nízku koncentráciu dopingu.

Výhody technológie BJT sú vysoká rýchlosť odozvy, vysoká transkonduktancia (zmeny vstupného napätia zodpovedajú veľkým zmenám výstupného prúdu), nízky šum, vysoká analógová presnosť a schopnosť riadenia silného prúdu; nevýhodou je nízka integrácia (vertikálna hĺbka sa nedá zmenšiť bočnou veľkosťou) a vysoká spotreba energie.

 

2. MOS

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranzistor (Metal Oxide Semiconductor FET), to znamená tranzistor s efektom poľa, ktorý riadi spínač polovodičového (S) vodivého kanála privedením napätia na hradlo kovovej vrstvy (M-kovový hliník) a zdroj cez vrstvu oxidu (O-izolačná vrstva SiO2), aby sa vytvoril účinok elektrického poľa. Pretože brána a zdroj a brána a odtok sú izolované izolačnou vrstvou SiO2, MOSFET sa tiež nazýva tranzistor s izolovaným hradlovým poľom. V roku 1962 Bell Labs oficiálne oznámili úspešný vývoj, ktorý sa stal jedným z najdôležitejších míľnikov v histórii vývoja polovodičov a priamo položil technický základ pre nástup polovodičových pamätí.

MOSFET možno rozdeliť na P kanál a N kanál podľa typu vodivého kanála. Podľa amplitúdy hradlového napätia ho možno rozdeliť na: typ vyčerpania - keď je hradlové napätie nulové, medzi odtokom a zdrojom je vodivý kanál; typ vylepšenia - pre zariadenia s N (P) kanálom existuje vodivý kanál iba vtedy, keď je napätie hradla väčšie ako (menšie ako) nula a výkonový MOSFET je hlavne typ vylepšenia N kanála.

Hlavné rozdiely medzi MOS a triódou zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na nasledujúce body:

-Tródy sú bipolárne zariadenia, pretože väčšinové aj menšinové nosiče sa podieľajú na vedení súčasne; zatiaľ čo MOS vedie elektrinu iba cez väčšinové nosiče v polovodičoch a nazýva sa aj unipolárny tranzistor.
-Tródy sú prúdovo riadené zariadenia s relatívne vysokou spotrebou energie; zatiaľ čo MOSFETy sú napäťovo riadené zariadenia s nízkou spotrebou energie.
-Tródy majú veľký odpor pri zapnutí, zatiaľ čo elektrónky MOS majú malý odpor pri zapnutí, len niekoľko stoviek miliohmov. V súčasných elektrických zariadeniach sa MOS elektrónky vo všeobecnosti používajú ako spínače, hlavne preto, že účinnosť MOS je v porovnaní s triódami pomerne vysoká.
-Tródy majú relatívne výhodné náklady a MOS elektrónky sú relatívne drahé.
-V súčasnosti sa vo väčšine scenárov používajú elektrónky MOS na nahradenie triód. Len v niektorých scenároch s nízkou spotrebou alebo s nízkou spotrebou energie použijeme triódy vzhľadom na cenovú výhodu.

3. CMOS

Komplementárny polovodič z oxidu kovu: Technológia CMOS využíva komplementárne polovodičové tranzistory z oxidu kovu (MOSFET) typu p a typu n na vytváranie elektronických zariadení a logických obvodov. Nasledujúci obrázok ukazuje bežný CMOS invertor, ktorý sa používa na konverziu "1→0" alebo "0→1".

Nasledujúci obrázok je typickým prierezom CMOS. Ľavá strana je NMS a pravá strana je PMOS. Póly G dvoch MOS sú spolu spojené ako spoločný vstup hradla a póly D sú spolu spojené ako spoločný odtokový výstup. VDD je pripojený k zdroju PMOS a VSS je pripojený k zdroju NMOS.

V roku 1963 Wanlass a Sah z Fairchild Semiconductor vynašli obvod CMOS. V roku 1968 vyvinula spoločnosť American Radio Corporation (RCA) prvý produkt s integrovaným obvodom CMOS a odvtedy obvod CMOS dosiahol veľký rozvoj. Jeho výhody sú nízka spotreba energie a vysoká integrácia (proces STI/LOCOS môže integráciu ešte zlepšiť); jeho nevýhodou je existencia blokovacieho efektu (reverzné predpätie prechodu PN sa používa ako izolácia medzi MOS elektrónkami a rušenie môže ľahko vytvoriť vylepšenú slučku a spáliť obvod).

 

4. DMOS

Dvojitý difúzny kovový oxidový polovodič: Podobne ako štruktúra bežných zariadení MOSFET, má tiež zdrojové, odtokové, hradlové a iné elektródy, ale prierazné napätie odtokového konca je vysoké. Používa sa proces dvojitej difúzie.

Obrázok nižšie zobrazuje prierez štandardného N-kanálového DMOS. Tento typ zariadenia DMOS sa zvyčajne používa v aplikáciách prepínania na nízkej strane, kde je zdroj MOSFET pripojený k zemi. Okrem toho je tu P-kanál DMOS. Tento typ zariadenia DMOS sa zvyčajne používa v aplikáciách spínania na vysokej strane, kde je zdroj MOSFET pripojený na kladné napätie. Podobne ako CMOS, doplnkové DMOS zariadenia používajú N-kanálové a P-kanálové MOSFETy na tom istom čipe na poskytovanie doplnkových prepínacích funkcií.

V závislosti od smeru kanála možno DMOS rozdeliť na dva typy, a to vertikálny dvojdifúzny polovodičový tranzistor s efektom poľa VDMOS (Vertical Double-Diffused MOSFET) a laterálny tranzistor s dvojitým rozptýleným polovodičovým poľom s efektom poľa LDMOS (Lateral Double -Difúzny MOSFET).

Zariadenia VDMOS sú navrhnuté s vertikálnym kanálom. V porovnaní s laterálnymi zariadeniami DMOS majú vyššie prierazné napätie a schopnosť zvládať prúd, ale odpor pri zapnutí je stále relatívne veľký.

Zariadenia LDMOS sú navrhnuté s laterálnym kanálom a sú to asymetrické výkonové zariadenia MOSFET. V porovnaní s vertikálnymi zariadeniami DMOS umožňujú nižší odpor pri zapnutí a vyššiu rýchlosť prepínania.

V porovnaní s tradičnými MOSFETmi má DMOS vyššiu kapacitu a nižší odpor, takže sa široko používa vo vysokovýkonných elektronických zariadeniach, ako sú vypínače, elektrické náradie a pohony elektrických vozidiel.

 

5. BiCMOS

Bipolárna CMOS je technológia, ktorá integruje CMOS a bipolárne zariadenia na rovnakom čipe súčasne. Jeho základnou myšlienkou je použitie zariadení CMOS ako hlavného obvodu jednotky a pridanie bipolárnych zariadení alebo obvodov, kde je potrebné riadiť veľké kapacitné zaťaženie. Preto majú obvody BiCMOS výhody vysokej integrácie a nízkej spotreby energie obvodov CMOS a výhody vysokej rýchlosti a silných prúdových schopností obvodov BJT.

Technológia BiCMOS SiGe (silicon germánium) od STMicroelectronics integruje RF, analógové a digitálne časti na jednom čipe, čo môže výrazne znížiť počet externých komponentov a optimalizovať spotrebu energie.

 

6. BCD

Bipolárna-CMOS-DMOS, táto technológia dokáže vyrábať bipolárne, CMOS a DMOS zariadenia na rovnakom čipe, nazývanom BCD proces, ktorý bol prvýkrát úspešne vyvinutý spoločnosťou STMicroelectronics (ST) v roku 1986.

Bipolárny je vhodný pre analógové obvody, CMOS je vhodný pre digitálne a logické obvody a DMOS je vhodný pre výkonové a vysokonapäťové zariadenia. BCD kombinuje výhody týchto troch. Po neustálom zdokonaľovaní sa BCD široko používa v produktoch v oblasti správy napájania, analógového zberu dát a výkonových pohonov. Podľa oficiálnej webovej stránky ST je zrelý proces pre BCD stále okolo 100nm, 90nm je stále v prototypovom dizajne a technológia 40nmBCD patrí k jeho produktom novej generácie, ktoré sú vo vývoji.