A CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) a modern chipek fő technológiája, mivel az NMOS és PMOS tranzisztorokat együtt használja az energiapazarlás csökkentése érdekében. Támogatja digitális, analóg és vegyes jeles áramköröket processzorokban, memóriákban, szenzorokban és vezeték nélküli eszközökben. Ez a cikk információkat nyújt a CMOS működéséről, gyártási lépésekről, skálázásról, energiafelhasználásról, megbízhatóságról és alkalmazásokról.
CMOS technológiai alapok
A komplementár fém-oxid-félvezető (CMOS) a modern integrált áramkörök építéséhez használt fő technológia. Kétféle tranzisztor használ: NMOS (n-csatorna MOSFET) és PMOS (p-csatorna MOSFET), amelyek úgy rendezve rendeztek, hogy ha az egyik bekapcsolt, a másik ki van kapcsolva. Ez a kiegészítő intézkedés segít csökkenteni a normál működés során elpazarolt energiat.
A CMOS lehetővé teszi, hogy nagyon sok tranzisztor helyezkedjen egy kis szilícium darabra, miközben az energiafogyasztás és a hő kezelhető szinten marad. Ennek következtében a CMOS technológiát számos modern elektronikus rendszerben digitális, analóg és vegyes jeles áramkörökben használják, a processzoroktól és memóriától kezdve az érzékelőkig és vezeték nélküli chipekig.
A MOSFET eszközök mint a CMOS technológia magja
A CMOS technológiában a MOSFET (Fém–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) az alapvető elektronikus kapcsoló. Szilícium lemezre épül, és négy fő részből áll: a forrás, a lefolyó, a kapu és a csatorna a forrás és a lefolyó között. A kapu egy nagyon vékony szigetelő réteg, az úgynevezett kapu-oxid fölött helyezkedik el, amely elválasztja a csatornától.
Amikor feszültséget alkalmaznak a kapun, az megváltoztatja a csatorna töltését. Ez vagy lehetővé teszi az áram áramlását a forrás és a lefolyó között, vagy megállítja azt. Az NMOS tranzisztorban az áramot elektronok hordozják. Egy PMOS tranzisztorban az áramot lyukak szállítják. Az NMOS és PMOS tranzisztorok különböző régiókban, úgynevezett kútokban történő kialakításával a CMOS technológia mindkét típusú tranzisztor ugyanarra a chipre helyezhető.
CMOS logikai működés digitális áramkörökben
• A MAJOR-logika NMOS és PMOS tranzisztorpárokat használ alapvető logikai kapuk építéséhez.
• A legegyszerűbb CMOS kapu az inverter, amely megfordítja a jelet: ha a bemenet 0, a kimenet 1; ha a bemenet 1, akkor a kimenet 0.
• CMOS inverterben a PMOS tranzisztor a kimenetet a pozitív tápellátáshoz köti, amikor a bemenet alacsony.
• Az NMOS tranzisztor a kimenetet a földhez köti, amikor a bemenet magas.
• Normál működés esetén egyszerre csak egy útvonal (vagy a tápegységhez, akár a földhöz) van bekapcsolva, így a statikus energiafelhasználás nagyon alacsony marad.
• Összetettebb CMOS kapuk, mint például a NAND és a NOR, több NMOS és PMOS tranzisztor sorba és párhuzamosan történő összekapcsolásával hozhatók létre.
CMOS vs NMOS vs TTL: Logikai család összehasonlítás
| Feature | CMOS | NMOS | TTL (bipoláris) |
|---|---|---|---|
| Statikus teljesítmény (alapjárat) | Nagyon alacsony | Mérsékelt | Magas |
| Dinamikus teljesítmény | Alacsony ugyanahhoz a funkcióhoz | Magasabb | Magas sebességgel |
| Tápfeszültség tartomány | Jól működik alacsony feszültségen | Korlátozottabb | Gyakran 5 V körül fixálják |
| Integrációs sűrűség | Nagyon magas | Alsó | Alacsony a CMOS-hoz képest |
| Tipikus használat ma | Fő választás a modern chipekben | Leginkább régebbi vagy speciális áramkörök | Leginkább régebbi vagy speciális áramkörök |
CMOS chipgyártási folyamat
• Kezdjük egy tiszta, kiváló minőségű szilikon lemezrel, mint a CMOS chip alapját.
• N-well és p-well régiók kialakítása, ahol az NMOS és PMOS tranzisztorokat készítik.
• Vékony kapu-oxidréteget termeszteni vagy helyezni a lappa felületére.
• A kapuanyag lehelyezése és mintázása a tranzisztor kapuk létrehozásához.
• A forrás- és lecsapzó területeket az NMOS és PMOS tranzisztorokhoz megfelelő dopantokkal ültetni.
• Izolációs szerkezetek építése úgy, hogy a közeli tranzisztorok ne befolyásolják egymást.
• Szigetelési és fém rétegek telepítése tranzisztorok működtető áramköreibe való kapcsolásához.
• Több fémréteget és kis függőleges láncokat, úgynevezett viákat adjunk hozzá, hogy jeleket irányítsanak a chipen keresztül.
• Védő passzivációs rétegekkel fejezzük be, majd vágd a lemezt külön chipekre, csomagoljuk be és teszteljük.
Technológiai skálázás a CMOS-ban
Idővel a CMOS technológia a mikrométeres jellemzőkről nanométer méretű jellemzőkre vált. Ahogy kiszebbek a tranzisztorok, több fér el ugyanahhoz a chipterülethez. A kisebb tranzisztorok gyorsabban is kapcsolódhatnak, és gyakran alacsonyabb tápfeszültségen is működnek, ami javítja a teljesítményt, miközben csökkenti az energiat műveletenként. De a CMOS eszközök zsugorodása kihívásokat is jelent:
• Nagyon kis tranzisztorok több áramot szivároghatnak, növelve a készenléti teljesítményt.
• A rövid csatornás hatások megnehezítik a tranzisztorok irányítását.
• A folyamatváltozások miatt a tranzisztor paraméterei eszközről eszközre nagyobb eltérést okoznak.
E problémák kezelésére újabb tranzisztorstruktúrákat, mint a FinFET-eket és a kapus-minden-körös eszközöket, valamint fejlettebb folyamatlépéseket és szigorúbb tervezési szabályokat alkalmaznak a modern CMOS technológiában.
Energiafogyasztás típusai a CMOS áramkörökben
| Teljesítménytípus | Amikor megtörténik | Fő ok | Egyszerű hatás |
|---|---|---|---|
| Dinamikus teljesítmény | Amikor a jelek 0 és 1 között váltanak | Apró kondenzátorok töltése és kiürítése | Növekedés, ahogy a kapcsolás és az órajel emelkedik |
| Rövidzárlat áram | Rövid ideig, amíg egy kapu vált | Az NMOS és a PMOS részben együtt működik | Extra energia használata a változtatások során |
| Szivárgás áram | Még akkor is, ha a jelek nem váltanak | Kis áram áramlik a tranzisztorokon | Nagyon kis méreteknél alap lesz |
Meghibásodási mechanizmusok a CMOS technológiában
A CMOS eszközök meghibásodhatnak a záródás, ESD-károsodás, hosszú távú öregedés és fém csatlakozások kopása miatt. A latch-up akkor történik, amikor a chipen belüli parazita PNPN útvonalak bekapcsolnak, és alacsony ellenállású kapcsolatot hoz létre a VCC és a föld között; Erős kútkontaktusok, védőgyűrűk és megfelelő elrendezési távolság segítenek elnyomni azt. Az ESD (elektrosztatikus kitöltés) képes áthatolni vékony kapu-oxidokon és csatlakozásokon, amikor gyors feszültségkiugrások érik el a tűket, ezért az I/O párnák általában dedikált bilincseket és diódaalapú védelmi hálózatokat tartalmaznak. Idővel a BTI és a forró hordozó befecskendezési tranzisztor elmozdulási paraméterei, valamint a túlzott áramsűrűség elektromigrációt válthatnak ki, amely gyengíti vagy megtöri a fémvezetékeket.
Digitális építőkövek a CMOS technológiában
• Az alapvető logikai kapukat, mint az inverterek, NAND, NOR és XOR, CMOS tranzisztorokból épülnek.
• A szekvenciális elemek, mint a reszelcek és a papucsok, digitális adatrészleteket tartanak és frissítenek.
• Az adatút-blokkok, beleértve az összeadókat, multiplexereket, shiftereket és számlálókat, számos CMOS kapu kombinálásával készülnek.
• Memóriablokkok, például az SRAM cellák, tömbökbe csoportosíthatók kis chipen belüli tároláshoz.
• A standard cellák előre tervezett CMOS logikai blokkok, amelyeket digitális eszközök újrahasznosítanak egy chipen keresztül.
• Nagy digitális rendszereket, beleértve a CPU-kat, vezérlőket és egyedi gyorsítókat, úgy hozzák létre, hogy sok szabványos cellát és memóriablokkot kötnek össze a CMOS technológiában.
Analóg és RF áramkörök a CMOS technológiában
A CMOS technológia nem korlátozódik a digitális logikára. Használható analóg áramkörök építésére is, amelyek folyamatos jelekkel dolgoznak:
• Olyan blokkok, mint az erősítők, összehasonlítók és feszültségreferencia CMOS tranzisztorokból és passzív komponensekből készülnek.
• Ezek az áramkörök segítenek érzékelni, formálni és szabályozni a jeleket a digitális feldolgozás előtt vagy után.
A CMOS támogatja az RF (rádiófrekvenciás) áramköröket is:
• Alacsony zajú erősítők, keverők és oszcillátorok ugyanabban a CMOS folyamatban valósíthatók meg, mint a digitális logikához.
• Ha analóg, RF és digitális blokkokat egyesítenek egy chipen, a CMOS technológia lehetővé teszi a kevert jeles vagy RF rendszer-chip megoldásokat, amelyek egyetlen chipen kezelik mind a jelfeldolgozást, mind a kommunikációt.
A CMOS technológia alkalmazásai
| Alkalmazási terület | Fő CMOS szerep | Példaeszközök |
|---|---|---|
| Processzorok | Digitális logika és vezérlés | Alkalmazásfeldolgozók, mikrovezérlők |
| Emlék | Adattárolás SRAM, flash és más eszközök segítségével | Gyorsítótár, beágyazott flash |
| Képérzékelők | Aktív pixel tömbök és olvasóáramkörök | Okostelefon kamerák, webkamerák |
| Analóg interfészek | Erősítők, ADC-k és DAC-ok | Szenzorinterfészek, hangkodekek |
| RF és vezeték nélküli | RF front-endek és helyi oszcillátorok | Wi-Fi, Bluetooth, mobil adóvevők |
Összegzés
A CMOS támogatja a magas tranzisztor sűrűséget, alacsony statikus teljesítményt és gyors kapcsolást modern integrált áramkörökben. Logikai kapukat, memóriablokkokat és nagy digitális rendszereket épít, miközben ugyanazon a chipen analóg és RF áramköröket is támogat. Ahogy a skálázás folytatódik, a szivárgás, a rövid csatornák hatásai és az eszközök változatossága nő, ezért újabb struktúrákat használnak, mint a FinFET-ek és a gate-all-around.
Gyakran Ismételt Kérdések [GYIK]
Mi a különbség az n-well, p-well és twin-well CMOS között?
n-well építi a PMOS-t n-wellekben, p-well NMOS-t p-wellekben, és twin-well mindkettőt használja a tranzisztor viselkedésének jobb szabályozására.
Miért használnak a CMOS chipek több fémréteget?
Több jel csatlakoztatásához, az útvonalakhoz való torlódás csökkentésére, és a chipen belüli vezetékezés hatékonyságának javítására.
Mi a testhatás egy CMOS tranzisztorban?
Ez egy küszöbfeszültség-változás, amelyet a forrás és a tranzisztor test közötti feszültségkülönbség okoz.
Mik a leválasztó kondenzátorok CMOS chipekben?
Stabilizálják az áramellátást azáltal, hogy csökkentik a feszültségeséseket és zajt kapcsolás közben.
Miért van szükség a CMOS-nak pajzsra és védőgyűrűkre?
A zaj kapcsolódásának csökkentése és az érzékeny, zajos áramkör közötti zavarok megelőzése.
Miben különbözik az SRAM a DRAM-tól és a flashtől a CMOS-ban?
Az SRAM gyors, de nagyobb méretű, a DRAM sűrűbb, de frissítésre szorul, és a flash is tartja az adatokat, még áram nélkül is.