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代的集成電路是鍺基電路,那么代的開關(guān)電源芯片是?

2019-07-18 09:36:38 

代的集成電路和代晶體管一樣,都是鍺基電路。

開關(guān)電源芯片

但是鍺有一些很難解決的問題:比如熱穩(wěn)定性,比如氧化物不致密,比如界面缺陷很多。這些問題導(dǎo)致鍺基電路始終走不出實驗室,只能在論文里刷刷存在感。
于是研究者們順著元素周期表向上爬了一格,看中了硅。



硅和鍺一比,簡直就是半導(dǎo)體界的模范元素。
熱穩(wěn)定性不錯,有著致密、高介電常數(shù)的氧化物,可以輕易制備出界面缺陷極少的硅-氧化硅界面,地表含量極大,提純非常容易……
更妙的是,氧化硅不溶于水(氧化鍺溶于水),也不溶于大多數(shù)的酸,這簡直是和印刷電路板的腐蝕印刷技術(shù)一拍即合。結(jié)合的產(chǎn)物,就是延續(xù)今的集成電路平面工藝。



當(dāng)然,集成電路的工藝精度要求比印刷電路板高了不止一個量級,直接套用印刷電路板的技術(shù)自然是不行的。于是集成電路自己發(fā)展出了一套光刻-腐蝕(刻蝕)-擴(kuò)散(注入)-濺射(淀積)的工藝體系,這就是延續(xù)今的集成電路平面工藝。

所謂平面工藝,是因為所有工藝步驟都是對整個硅晶圓表面均勻進(jìn)行,整開關(guān)電源芯片個工藝完全是二維圖形的操作。



平面工藝制備BJT是有一些困難的:

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BJT是PNP(或是NPN)的三層結(jié)構(gòu),在使用平面工藝制備的時候,如果把三層縱向放,就需要浪費(fèi)一定的面積給下面兩層引出到表面,而且工藝步驟也較復(fù)雜。如果三層橫向放置,由于BJT的基極(B級)非常薄,以當(dāng)時的光刻和摻雜精度很難實現(xiàn)。



后工藝界使用的縱向放置來實現(xiàn)BJT,以這個工藝為基礎(chǔ),集成電路進(jìn)入了TTL(Transistor-Transistor Logic,晶體管-晶體管邏輯電路)時代。


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目前為止后一次大的變革,是90年代CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)取代了TTL占據(jù)了市場主流。



CMOS的基礎(chǔ)是MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管),前文提到場效應(yīng)管的歷史可以追溯到20年代,但是MOSFET的誕生要等到1960年。新生的MOSFET很快取代了JFET,成為了場效應(yīng)管的主流。
60年代到90年代,面對如日中天的BJT,MOSFET始終被壓制著。主要原因是BJT的電流更大,速度更快,耐壓耐擊穿更強(qiáng)。雖然MOSFET因為工藝步驟少、占用面積小,所以更便宜一些,但是始終沒能占據(jù)主流。



不過這將近30年的時間里,集成電路產(chǎn)業(yè)跟著戈登·摩爾的預(yù)言經(jīng)歷了的瘋狂發(fā)展。工藝精度每1-2年就要前進(jìn)一個節(jié)點(diǎn)(特征尺寸*0.7)。
隨著電路尺寸越來越小,芯片上集成的晶體管越來越多,芯片的功耗和發(fā)熱已經(jīng)成了一個非常嚴(yán)峻的問題。這個時候TTL和BJT電路的一個先天劣勢就暴露了出來。開關(guān)電源芯片

BJT本質(zhì)上,是一個輸入電流控制輸出電流,實現(xiàn)電流放大的三端器件。由于輸入信號是電流,輸入信號消耗功耗。而且BJT的特性和大量使用的電阻負(fù)載和偏置以及較高的工作電壓,也使得TTL電路的關(guān)斷漏電和靜態(tài)功耗很難抑制。

而MOSFET則不同,場效應(yīng)管是一個通過輸入電壓控制輸出電流的多端器件,它的輸入漏電比BJT要小幾個數(shù)量級。而且MOSFET的溝道電流要小于BJT(這也是MOSFET速度慢的原因之一),關(guān)斷漏電上抑制非常好。后,CMOS工藝徹底排除了電阻負(fù)載,使用PMOS、NMOS互為負(fù)載,實現(xiàn)了近乎于0的靜態(tài)功耗。

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CMOS的結(jié)構(gòu)也比TTL更簡單,實現(xiàn)成本更低。



功耗和成本上的雙重優(yōu)勢,終壓倒了TTL那越來越小的性能優(yōu)勢。CMOS占據(jù)了集成電路的主流地位。

再之后的發(fā)展,更多的是在CMOS的基礎(chǔ)上對材料和結(jié)構(gòu)做一點(diǎn)小修小補(bǔ)(雙阱工藝、strain、SOI襯底、HK-MG、FIN-FET)來延續(xù)摩爾定律。但是硅襯底和CMOS結(jié)構(gòu)兩大基礎(chǔ)沒有再發(fā)生變化。

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