BJT、CMOS、DMOS等半導體製程技術

隨著半導體製程製程不斷突破，業界流傳著一個被稱為「摩爾定律」的著名論點。它是英特爾創始人之一戈登·摩爾在1965年提出的，其核心內容為：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。這項定律不僅是對產業發展趨勢的一種分析預測，同時也成了半導體製程發展的動力——一切都是為了做出更小尺寸且性能穩定的電晶體。從五十年代至今約70年的時間，總共發展了BJT、MOSFET、CMOS、DMOS以及混合型的BiCMOS和BCD等製程製程技術。

1. BJT

雙極性結型電晶體（bipolar junction transistor, BJT），俗稱三極管。電晶體中的電荷流動主要是由於載子在PN結處的擴散作用和漂移運動，由於同時涉及電子和電洞兩種載子的流動，因此它被稱為雙極性元件。

回溯它所誕生的歷史。由於存在著用固體放大器代替真空三極管這一想法，1945年夏，Shockley提出開展半導體基礎研究的建議，1945年下半年，貝爾實驗室成立了以Shockley為組長的固體物理學研究小組。在這小組裡，不僅有物理學家，也有電路工程師和化學家，包括作為理論物理學家的Bardeen和實驗物理學家B rattain。1947年12月，一件被後世認為是里程碑式的事件璀璨地發生了－Bardeen和Brattain成功發明了世界上第一個具有電流放大作用的鍺點接觸晶體管。

而在此後不久，Shockley於1948年發明了雙極接面電晶體。他提出了電晶體可以由兩個pn結構成，一個正向偏壓、另一個反向偏置，並在1948年6月取得了專利。在1949年他把結型電晶體工作的詳細理論發表了出來。兩年多後貝爾實驗室的科學家和工程師開發出流程來實現結型電晶體的量產（1951里程碑），開啟了電子技術的新紀元。而為了表彰在電晶體發明上的貢獻，蕭克利、巴丁和布拉頓共同獲得了1956 年諾貝爾物理學獎。

關於雙極接面電晶體的結構，常見的BJT有NPN型和PNP型。詳細內部結構如下圖所示。射極對應的雜質半導體區域為發射區，該區域摻雜濃度較高；基極對應的雜質半導體區域為基區，該區域寬度很薄，摻雜濃度很低；集電極對應的雜質半導體區域為集電區，此區域面積大，摻雜濃度很低。

BJT技術的優點是高反應速度、高跨導(輸入電壓變化對應輸出電流變化大)、低雜訊、高類比精度、強電流驅動能力；缺點是整合度低(縱向深度無法隨橫向尺寸縮小)、功耗高。

2. MOS

金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor FET)，即透過給金屬層(M-金屬鋁)的閘極和隔著氧化層(O-絕緣層SiO2)的源極施加電壓，產生電場的效應來控制半導體(S)導電通道開關的場效電晶體。由於閘極與源極、閘極與汲極之間均採用SiO2絕緣層隔離，因此MOSFET又稱為絕緣柵型場效應管。1962年由貝爾實驗室正式宣布成功開發，成為半導體發展史上最重要的里程碑之一，為半導體記憶體的問世直接奠定了技術基礎。

MOSFET依導電通道類型可分為P通道和N通道。依閘極電壓振幅可分為：耗盡型-當閘極電壓為零時汲源極之間就存在導電通道；增強型-對於N(P)通道元件，閘極電壓大於(小於)零時才存在導電通道，功率MOSFET主要是​​N通道增強型。

MOS與三極管的主要區別包括但不限於以下幾點：

• 三極管多子和少子同時參與導電，屬於雙極型元件；而MOS僅靠半導體中的多數載子導電，又稱為單極型電晶體。
• 三極管屬於電流控制型元件，功耗比較高；而MOSFET屬於電壓控制型元件，功耗較小。
• 三極管導通電阻大，MOS管導通電阻小，只有幾百毫歐姆。在現在的用電器件上，通常會用MOS管做開關來用，主要是因為相對於三極體MOS的效率是比較高的。
• 成本上三極管就比較佔優勢，mos管相對價格較高。

現在大部分場景下都是用MOS管取代三極管了，只有在一些小功率或對功耗不敏感的場景下，考慮到價格優勢我們才會使用三極管。

3. CMOS

互補型金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor）：CMOS技術採用了互補的p型和n型金屬氧化物半導體電晶體（MOSFET）來建構電子元件和邏輯電路。下圖所示為常見的CMOS反相器，用於「1→0」或「0→1」的轉換。

下圖為典型的CMOS剖面圖。左邊是NMS,右邊是PMOS，兩個MOS的G極連在一起為共連閘極輸入，D極連在一起為共連汲極輸出。VDD接PMOS的源極，VSS接NMOS的源極。

1963年，仙童半導體公司的Wanlass和Sah發明了CMOS電路。1968年，美國無線電公司（RCA）研發出第一個CMOS積體電路產品，此後CMOS電路獲得了巨大的發展。它的優點是功耗低、高整合度(STI/LOCOS製程可進一步提升整合度)；缺點是存在鎖定效應(MOS管間採用PN結反偏作為隔離，受干擾易形成增強迴路燒毀電路)。

4. DMOS

雙擴散金屬氧化物半導體（Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor）：與普通MOSFET元件結構類似，也主動、漏電、柵極等電極，但是漏端擊穿電壓高。採用了雙擴散工藝。

下圖展示了標準N通道DMOS的剖面圖，這種類型的DMOS元件通常用於低側開關應用，其中MOSFET的源極連接到接地。此外還有P通道DMOS，這種類型的DMOS元件通常用於高側開關應用，其中MOSFET的源極連接到正電壓。類似CMOS，互補DMOS元件在同一晶片上使用N通道和P通道MOSFET來提供互補的開關功能。

根據通道的方向，DMOS可以分為兩種類型，即垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應管VDMOS（Vertical Double-Diffused MOSFET）和橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET）。

VDMOS元件設計有垂直通道，與橫向DMOS元件相比它具有更高的擊穿電壓和電流處理能力，但是導通電阻仍然比較大。

LDMOS元件設計有橫向通道，是非對稱功率MOSFET元件。與垂直DMOS元件相比，它允許更低的導通電阻和更快的開關速度。

與傳統MOSFET相比，DMOS具有更高的導通能力和更低的電阻，因此被廣泛應用於高功率電子裝置中，例如電源開關、電動工具和電動車驅動器等。

5. BiCMOS

Bipolar CMOS, 是CMOS和雙極元件同時整合在同一塊晶片上的技術，其基本思想是以CMOS元件為主要單元電路，而在要求驅動大電容負載之處加入雙極元件或電路。因此BiCMOS電路既具備CMOS電路高整合度、低功耗的優點，也獲得了BJT電路高速、強電流驅動能力的優勢。

意法半導體的BiCMOS SiGe（矽鍺）技術將射頻、類比和數位部分整合在單顆晶片上，能夠大幅減少外部元件的數量，同時優化功耗。

6. BCD

Bipolar-CMOS-DMOS, 這種技術能夠在同一晶片上製作雙極管Bipolar，CMOS和DMOS元件，稱為BCD工藝，1986年由意法半導體（ST）率先開發成功。

Bipolar適用於類比電路 ，CMOS適用於數位和邏輯電路，DMOS適用於功率和高壓元件。BCD則結合了三者的優點。經過持續改進，BCD廣泛應用於電源管理、類比資料擷取和功率執行器等領域的產品。從ST官網來目前對於BCD來說成熟的製程還在100nm左右，90nm尚在原型設計中，40nmBCD技術屬於其正在開發中的下一代產品。（半導體材料與製程設備）