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随着半导体制程工艺的持续突破，行业内流传着一个被誉为“摩尔定律”的核心理念。这一定律，由英特尔创始人之一戈登·摩尔在年提出，预示着集成电路上晶体管数量大约每8至24个月将翻一番。这一预测不仅勾勒出了行业发展的蓝图，更成为了推动半导体制程前进的不竭动力。在过去的70年里，从上世纪五十年代至今，半导体工艺技术已从BJT、MOSFET发展到CMOS、DMOS，再到混合型的BiCMOS和BCD等，不断刷新着行业纪录。
其中，双极性结型晶体管（BJT）作为早期的关键技术，因其独特的双极性载流子流动特性而备受瞩目。它诞生于固体放大器替代真空三极管的设想之下，由Shockley在年提出并引领了贝尔实验室的研究小组。这个小组汇集了物理学家、电路工程师和化学家，共同见证了Bardeen和Brattain在年2月发明世界上第一个具有电流放大作用的锗点接触晶体管的辉煌时刻。这一里程碑式的事件，为后续的半导体工艺技术发展奠定了坚实基础。继Bardeen和Brattain在年发明世界上第一个具有电流放大作用的锗点接触晶体管后，Shockley在年进一步提出了双极结型晶体管的概念。他创新地设想晶体管可由两个pn结构成，一个正向偏置、另一个反向偏置，并在同年6月申请了专利。到了年，他详细阐述了结型晶体管的工作原理。经过两年多的研发，贝尔实验室的科学家和工程师们在95年成功开发出结型晶体管的量产流程，这一里程碑式的事件标志着电子技术新纪元的开启。因在晶体管发明上的杰出贡献，肖克利、巴丁和布拉顿共同荣获了年诺贝尔物理学奖。双极结型晶体管（BJT）是晶体管领域中的一种重要类型，它分为NPN型和PNP型。其内部结构主要包括发射区、基区和集电区。发射区是由高浓度的杂质半导体材料构成，而基区则具有很薄的宽度和较低的掺杂浓度。集电区面积较大，同样掺杂浓度也较低。这种结构使得双极结型晶体管在电子技术中发挥着至关重要的作用。BJT技术以其高响应速度、高跨导、低噪声、高模拟精度以及强大的电流驱动能力而闻名。然而，它也存在一些不足之处，如集成度较低（纵向深度无法随横向尺寸缩小）和功耗相对较高。
接下来，我们谈谈MOS技术。金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是一种通过在金属层（M-金属铝）的栅极与隔着氧化层（O-绝缘层SiO2）的源极之间施加电压来产生电场效应，从而控制半导体（S）导电沟道开关的场效应晶体管。由于栅极与源极、栅极与漏极之间都采用了SiO2绝缘层进行隔离，MOSFET也被称作绝缘栅型场效应管。这一技术在年由贝尔实验室成功开发，标志着半导体发展史上一个重要的里程碑，并为半导体存储器的诞生奠定了坚实的技术基础。
MOSFET可根据导电沟道类型分为P沟道和N沟道，同时，根据栅极电压幅值的不同，它又可分为耗尽型和增强型。在耗尽型中，当栅极电压为零时，漏源极之间就已经存在导电沟道；而在增强型中，对于N(P)沟道器件，只有当栅极电压大于(小于)零时，才存在导电沟道。值得注意的是，功率MOSFET主要采用N沟道增强型。MOS与三极管相比，在导电机制上存在显著差异。三极管依赖多子和少子共同导电，属于双极型器件；而MOS则仅依靠半导体中的多数载流子进行导电，因此被称为单极型晶体管。此外，在控制方式上，三极管作为电流控制型器件，其功耗相对较高；而MOSFET作为电压控制型器件，功耗则较低。另外，三极管的导通电阻较大，而MOS管的导通电阻较小，仅为几百毫欧姆。正因如此，在现代用电器件中，MOS管常被用作开关，其高效率特性使得它在许多场合下取代了三极管。当然，三极管在成本上更具优势，特别是在小功率或对功耗不敏感的场景下，其价格优势会更为明显。
接下来，我们将探讨CMOS技术。互补型金属氧化物半导体（CMOS）通过结合互补的p型和n型金属氧化物半导体晶体管（MOSFET）来构建电子器件和逻辑电路。其中，CMOS反相器是一种常见的电路元件，能够实现“→0”或“0→”的转换。下图展示了典型的CMOS剖面结构。左侧为NMOS，右侧为PMOS，它们的栅极相连，形成共连栅极输入，而漏极则共同连接，实现共连漏极输出。此外，PMOS的源极与VDD相连，而NMOS的源极则与VSS相连。年，仙童半导体公司的Wanlass和Sah共同创立了CMOS电路的基石。四年后，美国无线电公司（RCA）推出了首个CMOS集成电路产品，从而引发了CMOS电路的迅猛发展。其显著优势在于低功耗和高集成度，而STI/LOCOS工艺的引入更是进一步提升了这一优势。然而，CMOS电路也存在一定的局限性，即锁效应问题，这主要是由于MOS管间采用PN结反偏作为隔离，在受到干扰时容易形成增强回路导致电路烧毁。
接下来，我们还将探讨一种名为双扩散金属氧化物半导体（DMOS）的器件。这种器件与普通MOSFET在结构上相似，也包含源、漏、栅等电极，但其独特的双扩散工艺使得漏端击穿电压得以显著提升。标准N沟道DMOS的剖面图显示，这类DMOS器件常用于低侧开关应用，其源极接地。而P沟道DMOS则恰恰相反，常用于高侧开关应用，其源极连接正电压。与CMOS相似，互补DMOS器件通过在同一芯片上结合N沟道和P沟道MOSFET，提供了互补的开关功能。根据沟道方向的不同，DMOS器件可分为两大类：垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管（VDMOS）和横向双扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS）。其中，VDMOS以其垂直沟道设计而闻名，相较于横向DMOS，它展现出更高的击穿电压和电流处理能力。但值得注意的是，其导通电阻相对较大。LDMOS器件，以其横向沟道设计为特色，属于非对称功率MOSFET器件范畴。相较于垂直DMOS器件，LDMOS在保持较低导通电阻的同时，还展现了更快的开关速度。相较于传统MOSFET，DMOS器件展现出更高的导通能力和更低的电阻特性，这使得它成为高功率电子器件领域的理想选择，如电源开关、电动工具以及电动汽车驱动器等。
接下来，我们谈谈BiCMOS技术。BipolarCMOS是将CMOS与双极器件集成在同一芯片上的创新技术。其设计理念是以CMOS器件为基础构建单元电路，同时，在需要驱动大电容负载的场合，融入双极器件或电路。这样，BiCMOS电路不仅继承了CMOS的高集成度和低功耗的优点，还兼具了BJT电路的高速响应和强大电流驱动能力。意法半导体的BiCMOSSiGe技术独具匠心，它将射频、模拟和数字功能全部集成在单一芯片上，这一创新设计显著减少了外部组件的数量，同时还有效地优化了功耗。此外，BCD工艺也值得一提，这种技术能够在同一芯片上制造双极管、CMOS和DMOS器件，实现高度集成。年，意法半导体率先成功研发出BCD工艺，为电子行业带来了革命性的变革。Bipolar技术特别适用于模拟电路，而CMOS则擅长处理数字和逻辑电路，DMOS则主要用于功率和高压器件。然而，BCD工艺巧妙地融合了这三者的优势。经过意法半导体的不断改进，BCD工艺已广泛应用于电源管理、模拟数据采集以及功率执行器等多个领域的产品中。目前，意法半导体在官方网站上公布，其成熟的BCD工艺技术仍在00nm左右，90nm工艺尚处于原型设计阶段，而40nm的BCD技术则被视为下一代产品的研发重点。
