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(shí)驗(yàn)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。
熱穩(wěn)定性不錯(cuò),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(jiǎn)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。
所謂平面工藝,是因?yàn)樗泄に嚥襟E都是對(duì)整個(gè)硅晶圓表面均勻進(jìn)行,整開關(guān)電源芯片個(gè)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:
BJT是PNP(或是NPN)的三層結(jié)構(gòu),在使用平面工藝制備的時(shí)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(jí))非常薄,以當(dāng)時(shí)的光刻和摻雜精度很難實(shí)現(xiàn)。
后工藝界使用的縱向放置來(lái)實(shí)現(xiàn)BJT,以這個(gè)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(shí)代。
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(chǎng)主流。
CMOS的基礎(chǔ)是MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管),前文提到場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的主流。
60年代到90年代,面對(duì)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?yàn)楣に嚥襟E少、占用面積小,所以更便宜一些,但是始終沒能占據(jù)主流。
隨著電路尺寸越來(lái)越小,芯片上集成的晶體管越來(lái)越多,芯片的功耗和發(fā)熱已經(jīng)成了一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題。這個(gè)時(shí)候TTL和BJT電路的一個(gè)先天劣勢(shì)就暴露了出來(lái)。開關(guān)電源芯片
BJT本質(zhì)上,是一個(gè)輸入電流控制輸出電流,實(shí)現(xiàn)電流放大的三端器件。由于輸入信號(hào)是電流,輸入信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管是一個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(shí)現(xiàn)了近乎于0的靜態(tài)功耗。
CMOS的結(jié)構(gòu)也比TTL更簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)成本更低。
功耗和成本上的雙重優(yōu)勢(shì),終壓倒了TTL那越來(lái)越小的性能優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(lái)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。