BJT DMOS BiCMOS BCD半导体制程技术简介

印宁华|Indining China|

2025-04-04 02:33:53 598

随着半导体制程制程不断突破，业界流传着一个被称为「摩尔定律」的*论点。它是英特尔创始人之一戈登·摩尔在1965年提出的，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。这项定律不仅是对产业发展趋势的一种分析预测，同时也成了半导体制程发展的动力——一切都是为了做出更小尺寸且性能稳定的电晶体。从五十年代至今约70年的时间，总共发展了BJT、MOSFET 、CMOS、DMOS以及混合型的BiCMOS和BCD 等制程制程技术。

1. BJT

双极性结型电晶体（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管。电晶体中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动，由于同时涉及电子和电洞两种载流子的流动，因此它被称为双极性元件。

回溯它所诞生的历史。由于存在着用固体放大器代替真空三极管这一想法，1945年夏，Shockley 提出开展半导体基础研究的建议，1945年下半年，贝尔实验室成立了以Shockley为组长的固体物理学研究小组。在这小组里，不仅有物理学家，也有电路工程师和化学家，包括作为理论物理学家的Bardeen和实验物理学家B rattain。 1947年12月，一件被后世认为是里程碑式的事件璀璨地发生了－Bardeen和Brattain成功发明了*上*个具有电流放大作用的锗点接触晶体管。

Bardeen和Brattain的*个点接触式电晶体

而在此后不久，Shockley于1948年发明了双极接面电晶体。他提出了电晶体可以由两个pn结构成，一个正向偏压、另一个反向偏置，并在1948年6月取得了专利。在1949年他把结型电晶体工作的详细理论发表了出来。两年多后贝尔实验室的科学家和工程师开发出流程来实现结型电晶体的量产（1951里程碑），开启了电子技术的新纪元。而为了表彰在电晶体发明上的贡献，萧克利、巴丁和布拉顿共同获得了1956 年诺贝尔物理学奖。

关于双极接面电晶体的结构，常见的BJT有NPN型和PNP型。

BJT 结构示意图及符号

详细内部结构如下图所示。射极对应的杂质半导体区域为发射区，该区域掺杂浓度较高；基极对应的杂质半导体区域为基区，该区域宽度很薄，掺杂浓度很低；集电极对应的杂质半导体区域为集电区，此区域面积大，掺杂浓度很低。

BJT 结构剖面图

BJT技术的优点是高反应速度、高跨导(输入电压变化对应输出电流变化大)、低杂讯、高类比精度、强电流驱动能力；缺点是整合度低(纵向深度无法随横向尺寸缩小) 、功耗高。

2. MOS

金属氧化物半导体场效电晶体(Metal Oxide Semiconductor FET)，即通过给金属层(M-金属铝)的栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2)的源极施加电压，产生电场的效应来控制半导体(S)导电通道开关的场效电晶体。由于栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此MOSFET又称为绝缘栅型场效应管。 1962年由贝尔实验室正式宣布成功开发，成为半导体发展史上最重要的里程碑之一，为半导体记忆体的问世直接奠定了技术基础。

MOSFET依导电通道类型可分为P通道和N通道。依栅极电压振幅可分为：

耗尽型MOS-当闸极电压为零时漏源极之间就存在导电通道；

增强型MOS-对于N(P)通道元件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电通道，功率MOSFET主要是N通道增强型。

MOS 结构示意图及符号

MOS与三极管的主要区别包括但不限于以下几点：

三极管多子和少子同时参与导电，属于双极型元件；而MOS仅靠半导体中的多数载子导电，又称为单极型电晶体。
三极管属于电流控制型元件，功耗比较高；而MOSFET属于电压控制型元件，功耗较小。
三极管导通电阻大，MOS管导通电阻小，只有几百毫欧姆。在现在的用电器件上，通常会用MOS管做开关来用，主要是因为相对于三极体MOS的效率是比较高的。
成本上三极管就比较占优势，mos管相对价格较高。

现在大部分场景下都是用MOS管取代三极管了，只有在一些小功率或对功耗不敏感的场景下，考虑到价格优势我们才会使用三极管。

3. CMOS

互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor）：CMOS技术采用了互补的p型和n型金属氧化物半导体电晶体（MOSFET）来建构电子元件和逻辑电路。

下图所示为常见的CMOS反相器，用于「1→0」或「0→1」的转换，典型电路图如下。

CMOS电路图

典型的CMOS剖面结构图如下，左边是NMOS，右边是PMOS，两个MOS的G极连在一起为共连栅极输入，D极连在一起为共连漏极输出。 VDD接PMOS的源极，VSS接NMOS的源极。

CMOS 结构剖面图

1963年，仙童半导体公司的Wanlass和Sah发明了CMOS电路。 1968年，美国无线电公司（RCA）研发出*个CMOS积体电路产品，此后CMOS电路获得了巨大的发展。它的优点是功耗低、高整合度(STI/LOCOS制程可进一步提升整合度)；缺点是存在锁定效应(MOS管间采用PN结反偏作为隔离，受干扰易形成增强回路烧毁电路)。

CMOS工艺目前已经发展到3nm的时代，目前基本上主要是数字电路在追求工艺节点。针对模拟电路为主或者数模混合电路居多的芯片，当前芯片主要分布在180nm到28nm之间。主要工艺节点有 180nm，130nm，110nm，90nm，65nm，55nm，40nm和28nm等。如果电路中没有超高速转换器或者高速接口电路，基本CMOS工艺节点在90nm及以上比较多，65nm及以下节点则更加适用于高速转换器，高速接口的电路中。CMOS电路被用在射频应用时候，一般很难突破6GHz频率，超过6GHz之后，噪声和线性会快速下降。

更高的工艺节点有利于数字电路速度提高并且有效降低尺寸，但是也会带来漏电流会变大，投片费用也较高。较低的工艺节点会限制运行速度，尺寸上也会比较大，但是漏电流更小，投片费用也更低。针对模拟电路，特别是数模混合电路而言，选择合适的工业节点是至关重要的。

4. DMOS、VDMOS和LDMOS

DMOS 器件是指 Double-diffused Metal Oxide Semiconductor（双扩散金属氧化物半导体）器件，也被称为 VMOS（Vertical Metal Oxide Semiconductor）器件。DMOS 器件是一种用于功率放大和开关的半导体器件。

DMOS 器件的主要特点是具有低导通电阻、高电压承受能力、高速开关能力和高温性能等。由于这些特点，DMOS 器件广泛应用于功率放大、开关和 DC-DC 转换器等领域。

DMOS 件的结构类似于 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），但是在 DMOS 件中，扩散区域比 MOSFET 更深，从而可以承受更高的电压。此外，DMOS 器件中的沟道是沿垂直方向延伸的，从而可以实现更高的电流密度和更低的导通电阻。

下图展示了标准N沟道的DMOS的剖面图，这种类型的DMOS元件通常用于开关应用，其中MOSFET的源极连接到接地。此外还有P沟道的DMOS，这种类型的DMOS元件通常用于高侧开关应用，其中MOSFET的源极连接到正电压。类似CMOS，互补DMOS元件在同一晶片上使用N通道和P通道MOSFET来提供互补的开关功能。

根据通道的方向，DMOS可以分为两种类型，即垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOS（Vertical Double-Diffused MOSFET）和横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET ）。

VDMOS元件设计有垂直通道，与横向DMOS元件相比它具有更高的击穿电压和电流处理能力，但是导通电阻仍然比较大。

LDMOS元件设计有横向通道，是非对称功率MOSFET元件。与垂直DMOS元件相比，它允许更低的导通电阻和更快的开关速度。

DMOS 器件主要作用是在高功率电路中提供电流控制和开关控制功能。由于 DMOS 器件具有低导通电阻、高电压承受能力、高速开关能力和高温性能等优点，因此被广泛应用于各种功率电子应用中，如电源管理、电机驱动、照明控制、汽车电子、工业控制等。

在电源管理中，DMOS 通常用于 DC-DC 转换器、电源逆变器、电源管理单元等电路中，以实现高效率、高稳定性和高可靠性。
在电机驱动中，DMOS 通常用于马达控制器、电机驱动器等电路中，以实现高精度、高效率和高可靠性的马达控制。
在照明控制中，DMOS 还可以用于 LED 驱动器、照明调光器等电路中，以实现高效率、高亮度和高可靠性的照明控制。
在汽车电子和工业控制中，DMOS 通常用于电池管理、电力控制、电源变换、电机驱动、照明控制等电路中，以实现高稳定性、高安全性和高可靠性的控制功能。

不难发现，DMOS 器件的作用是在高功率电路中实现电流控制和开关控制功能，以提高电路的效率、稳定性和可靠性。

5. BiCMOS

BiMOS就是CMOS和BiPOLAR的混合，就是在CMOS的基础上生长BiPOLAR，由于BiPOLAR可以做到非常低的漏电电流和噪声，针对数模混合电路，特别是低噪声或者低偏移的数模混合电路使用BiCMOS即可以发挥CMOS的功耗的优势，又可以兼顾模拟高性能特性。

把双极型晶体管（BJT）和CMOS器件同时集成在同一块芯片上的新型的工艺技术，它集中了上述单、双极型器件的优点，两者“交叉”结合，取长补短，调和折衷，为发展我国高速、高性能的各种通信、信息处理和网络电路、通信用模拟/数字混合微电子电路和数字通信用超大规模集成电路（数字通信VLSI）开辟了一条崭新的道路。

CMOS工艺和BiPolar工艺是两种主要的硅集成电路工艺，它们有各自的优点。CMOS器件有集成度高、功耗低、输入阻抗高等优点。BiPolar器件有截止频率高、驱动能力大、速度快、噪声低等优点。它们的优缺点正好互相补充，将它们集成同一芯片上形成BiCMOS工艺，制得的器件性能定将超出单一工艺。

形成BiCMOS工艺的方案现有很多，大致可归纳为两大类：一类是以CMOS工艺为基础，另一类是以Bipolar工艺为基础。采用原有的2um N阱CMOS工艺基础上选用双埋层、双阱、外延结构来形成BiCMOS工艺。

BiCMOS，BiCMOS=Bipolar+CMOS，一般有两种类型的BiCMOS，一种是以Bipolar工艺为基础，将CMOS加入到Bipolar工艺中，这种BICMOS工艺的器件特性以Bipolar器件为主，CMOS器件为辅，CMOS器件特性并不是最佳，Bipolar器件特性可以达到很好的程度；另一种以CMOS器件为主，Bipolar器件为辅，CMOS器件特性可以达到比较好的程度，Bipolar特性一般，简单的甚至直接只是加一个Base区域，Bipolar器件只是起到最基本的作用，比如做badgap用，提供一个参考电压。两种BICMOS工艺不论侧重点如何，只要满足设计的需求即可，在这个客户导向的时代，只要你能给代工厂足够的订单，代工厂就能拿出足够诚意来满足客户的各种需求。

下图是一个BiCMOS的反相器原理图，输出端口使用了BJT的对管，主要逻辑部分都是MOS管。

BiCMOS 反相器原理图

BiCMOS 结构剖面图

BiCMOS可在单颗芯片上融合两种不同工艺技术的优势：双极晶体管可达到较高的速度和增益，满足高频模拟部分的要求，而CMOS技术则非常适合构成简单的低功耗门逻辑电路。意法半导体的BiCMOS SiGe（硅锗）技术将射频、模拟和数字部分集成在单颗芯片上，能够大幅减少外部元器件的数量，同时优化功耗。

6. BCD

Bipolar-CMOS-DMOS, 这种技术能够在同一晶片上制作双极管Bipolar，CMOS和DMOS元件，称为BCD工艺，1986年由意法半导体（ST）率先开发成功。

Bipolar适用于精密的模拟电路，CMOS适用于大规模数字逻辑电路，DMOS适用于功率和高压元件。 BCD则结合了三者的优点。

BCD工艺广泛使用在的电源，电池检测，LED驱动等高压电路中。目前BCD工艺主要工艺节点有0.25um，0.18um，130nm，90nm和55nm。耐压等级根据应用不同，最低为5V, 其次是12V, 40V, 60V, 80V, 120V，最高达到6KV等。BCD除了不断提高工艺的制程和耐压等级之外，通过结构改善如DTI (Deep Trend Insolate) 降低尺寸，也通过SOI工艺提高隔离等级降低尺寸。

ST公司是BCD工艺的发明者，从ST官网数据可以看出，ST的BCD工艺已经发展到90nm（100V），最高耐压到6KV，发展到第9代，工艺涉及到SOI和DTI等。其他厂商如TI的BCD工艺已经支撑110nm（85v）耐压，采用DTI实现。NXP主要基于SOI的BCD工艺上开发汽车电源类和音频功放等产品。晶圆代工厂中，TSMC，TOWER, Global Foundries, SMIC和华虹都有开发BCD工艺。

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