代的集成电路和代晶体管一样,都是锗基电路。
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但是锗有一些很难解决的问题:比如热稳定性,比如氧化物不致密,比如界面缺陷很多。这些问题导致锗基电路始终走不出实验室,只能在论文里刷刷存在感。于是研究者们顺着元素周期表向上爬了一格,看中了硅。
热稳定性不错,有着致密、高介电常数的氧化物,可以轻易制备出界面缺陷极少的硅-氧化硅界面,地表含量极大,提纯非常容易……
更妙的是,氧化硅不溶于水(氧化锗溶于水),也不溶于大多数的酸,这简直是和印刷电路板的腐蚀印刷技术一拍即合。结合的产物,就是延续今的集成电路平面工艺。
所谓平面工艺,是因为所有工艺步骤都是对整个硅晶圆表面均匀进行,整开关电源芯片个工艺完全是二维图形的操作。
平面工艺制备BJT是有一些困难的:
BJT是PNP(或是NPN)的三层结构,在使用平面工艺制备的时候,如果把三层纵向放,就需要浪费一定的面积给下面两层引出到表面,而且工艺步骤也较复杂。如果三层横向放置,由于BJT的基极(B级)非常薄,以当时的光刻和掺杂精度很难实现。
后工艺界使用的纵向放置来实现BJT,以这个工艺为基础,集成电路进入了TTL(Transistor-Transistor Logic,晶体管-晶体管逻辑电路)时代。
目前为止后一次大的变革,是90年代CMOS(互补金属氧化物半导体)取代了TTL占据了市场主流。
CMOS的基础是MOSFET(金属氧化物半导体场效应管),前文提到场效应管的历史可以追溯到20年代,但是MOSFET的诞生要等到1960年。新生的MOSFET很快取代了JFET,成为了场效应管的主流。
60年代到90年代,面对如日中天的BJT,MOSFET始终被压制着。主要原因是BJT的电流更大,速度更快,耐压耐击穿更强。虽然MOSFET因为工艺步骤少、占用面积小,所以更便宜一些,但是始终没能占据主流。
随着电路尺寸越来越小,芯片上集成的晶体管越来越多,芯片的功耗和发热已经成了一个非常严峻的问题。这个时候TTL和BJT电路的一个先天劣势就暴露了出来。开关电源芯片
BJT本质上,是一个输入电流控制输出电流,实现电流放大的三端器件。由于输入信号是电流,输入信号消耗功耗。而且BJT的特性和大量使用的电阻负载和偏置以及较高的工作电压,也使得TTL电路的关断漏电和静态功耗很难抑制。
而MOSFET则不同,场效应管是一个通过输入电压控制输出电流的多端器件,它的输入漏电比BJT要小几个数量级。而且MOSFET的沟道电流要小于BJT(这也是MOSFET速度慢的原因之一),关断漏电上抑制非常好。后,CMOS工艺彻底排除了电阻负载,使用PMOS、NMOS互为负载,实现了近乎于0的静态功耗。
CMOS的结构也比TTL更简单,实现成本更低。
功耗和成本上的双重优势,终压倒了TTL那越来越小的性能优势。CMOS占据了集成电路的主流地位。
再之后的发展,更多的是在CMOS的基础上对材料和结构做一点小修小补(双阱工艺、strain、SOI衬底、HK-MG、FIN-FET)来延续摩尔定律。但是硅衬底和CMOS结构两大基础没有再发生变化。