CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) on peamine tehnoloogia kaasaegsetes kiipides, kuna see kasutab NMOS-i ja PMOS-transistoreid koos, et vähendada raiskatud energiat. See toetab digitaalseid, analoog- ja segasignaali ahelaid protsessorites, mälus, sensorites ja juhtmevabades seadmetes. See artikkel annab teavet CMOS-i töö, tootmisetappide, skaleerimise, energiatarbimise, töökindluse ja rakenduste kohta.
CMOS-tehnoloogia alused
Komplementaarne metall-oksiid-pooljuht (CMOS) on peamine tehnoloogia, mida kasutatakse kaasaegsete integraalskeemide ehitamiseks. See kasutab kahte tüüpi transistoreid, NMOS (n-kanali MOSFET) ja PMOS (p-kanali MOSFET), mis on paigutatud nii, et kui üks on sisse lülitatud, on teine väljas. See täiendav tegevus aitab vähendada raisatud energiat tavapärases töös.
CMOS võimaldab paigutada väga suure hulga transistoreid väikesele räni tükile, hoides samal ajal energiatarbimist ja soojust hallatavatel tasemetel. Seetõttu kasutatakse CMOS-tehnoloogiat paljudes kaasaegsetes elektroonikasüsteemides digitaalsetes, analoog- ja segasignaaliahelates, alates protsessoritest ja mälust kuni sensorite ja traadita kiipideni.
MOSFET-seadmed kui CMOS-tehnoloogia tuumik
CMOS-tehnoloogias on MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) põhiline elektrooniline lüliti. See on ehitatud räniplaadile ja koosneb neljast põhiosast: allikas, äravool, värav ja kanal allika ja äravoolu vahel. Värav asub väga õhukese isoleeriva kihi peal, mida nimetatakse värava oksiidiks ja mis eraldab selle kanalist.
Kui väravale rakendatakse pinget, muudab see kanali laengut. See kas võimaldab voolul voolata allika ja äravoolu vahel või peatab selle. NMOS-transistoris kannavad voolu elektronid. PMOS-transistoris kannab vool läbi aukude. Moodustades NMOS- ja PMOS-transistorid erinevates piirkondades, mida nimetatakse kaevudeks, võimaldab CMOS-tehnoloogial mõlemad transistoritüübid paigutada samale kiibile.
CMOS-loogikaoperatsioon digitaalsetes ahelates
• CMOS-loogika kasutab NMOS- ja PMOS-transistoripaare põhiliste loogikaväravate ehitamiseks.
• Lihtsaim CMOS-värav on inverter, mis pöörab signaali: kui sisend on 0, on väljund 1; kui sisend on 1, on väljund 0.
• CMOS-inverteris ühendab PMOS-transistor väljundi positiivse toiteallikaga, kui sisend on madal.
• NMOS-transistor ühendab väljundi maandusega, kui sisend on kõrge.
• Tavapärases töös on korraga ainult üks tee (kas toiteallikasse või maandusse), mistõttu staatiline energiatarve jääb väga madalaks.
• Keerukamad CMOS-väravad, nagu NAND ja NOR, luuakse, ühendades mitu NMOS- ja PMOS-transistorit järjestikku ja paralleelselt.
CMOS vs NMOS vs TTL: loogikaperekonna võrdlus
| Funktsioon | CMOS | NMOS | TTL (bipolaarne) |
|---|---|---|---|
| Staatiline võimsus (tühikäigul) | Väga madal | Mõõdukas | Kõrge |
| Dünaamiline võimsus | Sama funktsiooni jaoks madal | Kõrgem | Kõrge kiirusega |
| Toitepinge vahemik | Töötab hästi madalatel pingetel | Rohkem piiratud | Sageli fikseeritud umbes 5 V |
| Integratsioonitihedus | Väga kõrge | Madalam | Madal võrreldes CMOS-iga |
| Tüüpiline kasutus tänapäeval | Peamine valik kaasaegsetes kiipides | Enamasti vanemad või spetsiaalsed vooluringid | Enamasti vanemad või spetsiaalsed vooluringid |
CMOS kiibi valmistamise protsess
• Alusta puhta ja kvaliteetse räni plaadiga, mis on CMOS-kiibi alus.
• Moodustada n-kaev ja p-kaev piirkonnad, kus valmistatakse NMOS ja PMOS transistorid.
• Kasvatada või asetada õhuke väravaoksiidi kiht plaadi pinnale.
• Ladestada ja musteerida värava materjal, et luua transistorväravad.
• Implanteerida allika- ja drenaažipiirkonnad õigete dopantidega NMOS- ja PMOS-transistoritele.
• Ehitada isolatsioonistruktuure, et lähedal asuvad transistorid üksteist ei mõjutaks.
• Paigaldada isoleerivaid kihte ja metallkihti, et ühendada transistorid töötavatesse ahelatesse.
• Lisada rohkem metallkihte ja väikeseid vertikaalseid linke, mida nimetatakse via-deks, et suunata signaale üle kiibi.
• Lõpeta kaitsekihiga, lõika kiip eraldi kiipideks, pakenda ja testida.
Tehnoloogia skaleerimine CMOS-is
Aja jooksul on CMOS-tehnoloogia liikunud mikromeetrisuurustelt objektidelt nanomeetri suurustele omadustele. Mida väiksemaks transistorid muutuvad, seda rohkem neid mahub samale kiibialale. Väiksemad transistorid suudavad ka kiiremini lülituda ja sageli töötada madalama toitepingega, mis parandab jõudlust ja vähendab energiat iga operatsiooni kohta. Kuid CMOS-seadmete vähendamine toob kaasa ka väljakutseid:
• Väga väikesed transistorid võivad lekkida rohkem voolu, suurendades ooterežiimi võimsust.
• Lühikanali efektid muudavad transistorite juhtimise keerulisemaks.
• Protsesside varieeruvused põhjustavad transistori parameetrite suuremat varieerumist seadmeti.
Nende probleemide lahendamiseks kasutatakse uuemaid transistoristruktuure, nagu FinFET-id ja värava-kõik-ümber seadmed, koos keerukamate protsessietappide ja rangemate disainireeglitega kaasaegses CMOS-tehnoloogias.
CMOS-skeemide energiatarbimise tüübid
| Võimsustüüp | Kui see juhtub | Peamine põhjus | Lihtne efekt |
|---|---|---|---|
| Dünaamiline võimsus | Kui signaalid vahetuvad 0 ja 1 vahel | Väikeste kondensaatorite laadimine ja tühjendamine | Kasvab, kui lülitus ja taktsagedus tõusevad |
| Lühise võimsus | Lühikest aega, kui värav lülitub | NMOS ja PMOS on osaliselt koos | Lisavõimsus, mida kasutatakse muudatuste ajal |
| Lekkevõimsus | Isegi kui signaalid ei lülitu | Väike vool transistorite kaudu | Muutub väga väikeste suurustega lihtsaks |
Rikkemehhanismid CMOS-tehnoloogias
CMOS-seadmed võivad rikke minna lukustuste, ESD-kahjustuste, pikaajalise vananemise ja metallühenduste kulumise tõttu. Latch-up toimub siis, kui kiibi sees olevad parasiitlikud PNPN-teed lülituvad sisse ja loovad madala takistusega ühenduse VCC ja maanduse vahel; Tugevad kaevukontaktid, kaitserõngad ja piisav paigutusvahe aitavad seda summutada. ESD (elektrostaatiline laeng) suudab läbistada õhukesi väravaoksiide ja ühenduskohti, kui kiired pingetõusud tabavad tihvte, seega sisaldavad I/O padjad tavaliselt spetsiaalseid klambreid ja dioodipõhiseid kaitsevõrke. Aja jooksul võivad BTI ja kuumakandja süstimise nihkumise transistori parameetrid ning liigne voolutihedus vallandada elektromigratsiooni, mis nõrgestab või katkestab metallliinid.
Digitaalsed ehitusplokid CMOS-tehnoloogias
• Põhilised loogikaväravad nagu inverterid, NAND, NOR ja XOR on ehitatud CMOS-transistoritest.
• Järjestikused elemendid nagu lukud ja plätud hoiavad ja uuendavad digitaalseid andmeid.
• Andmetee plokid, sealhulgas liitjad, multiplekserid, nihutajad ja loendurid, moodustatakse paljude CMOS-väravate ühendamisel.
• Mäluplokid, nagu SRAM-rakud, on rühmitatud massiivideks väikeste kiibisiseste salvestuste jaoks.
• Standardrakud on eelkujundatud CMOS-loogikaplokid, mida digitaalsed tööriistad kasutavad kiibi ulatuses uuesti.
• Suured digitaalsed süsteemid, sealhulgas protsessorid, kontrollerid ja kohandatud kiirendid, luuakse, ühendades CMOS-tehnoloogias palju standardseid rakke ja mäluplokke.
Analoog- ja RF-skeemid CMOS-tehnoloogias
CMOS-tehnoloogia ei piirdu ainult digitaalse loogikaga. Seda saab kasutada ka analoogskeemide ehitamiseks, mis töötavad pidevate signaalidega:
• Plokid nagu võimendid, võrdlejad ja pinge viited on valmistatud CMOS-transistoritest ja passiivsetest komponentidest.
• Need skeemid aitavad signaale tuvastada, kujundada ja juhtida enne või pärast digitaalset töötlemist.
CMOS võib toetada ka raadiosageduslikke (RF) skeeme:
• Madala müratasemega võimendeid, miksereid ja ostsillaatoreid saab rakendada samas CMOS-protsessis, mida kasutatakse digitaalses loogikas.
• Kui analoog-, RF- ja digitaalsed plokid ühendatakse ühele kiibile, võimaldab CMOS-tehnoloogia segasignaali või RF-süsteem-kiibil lahendusi, mis haldavad nii signaalitöötlust kui ka kommunikatsiooni ühel kiibil.
CMOS-tehnoloogia rakendused
| Rakendusala | Peamine CMOS-i roll | Näidisseadmed |
|---|---|---|
| Protsessorid | Digitaalne loogika ja juhtimine | Rakendusprotsessorid, mikrokontrollerid |
| Mälu | Andmete salvestamine SRAM-i, flashi ja teiste abil | Vahemälu, manustatud flash |
| Pildisensorid | Aktiivsed pikslimassiivid ja lugemisahelad | Nutitelefoni kaamerad, veebikaamerad |
| Analoogliidesed | Võimendid, ADC-d ja DAC-id | Sensorliidesed, helikoodekid |
| RF ja traadita | RF-front-endid ja lokaalsed ostsillaatorid | Wi-Fi, Bluetooth, mobiilside vastuvõtjad |
Kokkuvõte
CMOS toetab kõrget transistorite tihedust, madalat staatilist võimsust ja kiiret lülitust kaasaegsetes integreeritud vooluringides. See ehitab loogikaväravaid, mäluplokke ja suuri digitaalseid süsteeme ning toetab samal kiibil ka analoog- ja RF-ahelaid. Kui skaleerimine jätkub, suurenevad lekked, lühikanali efektid ja seadmete varieeruvus, mistõttu kasutatakse uuemaid struktuure nagu FinFET-id ja gate-all-around.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Mis on n-well, p-well ja twin-well CMOS-il?
n-well ehitab PMOS-i n-wellides, p-well NMOS-i p-wellides ja twin-well kasutab mõlemat transistorite käitumise paremaks kontrolliks.
Miks kasutavad CMOS-kiibid mitut metallkihti?
Et ühendada rohkem signaale, vähendada marsruutimise ummikuid ja parandada juhtmestiku efektiivsust kogu kiibi ulatuses.
Milline on CMOS-transistori kehaefekt?
See on lävipinge muutus, mis on põhjustatud pingeerinevusest allika ja transistori keha vahel.
Mis on lahtiühendavad kondensaatorid CMOS-kiipides?
Need stabiliseerivad toiteplokki, vähendades lülituse ajal pingelangusi ja müra.
Miks CMOS vajab kaitset ja kaitserõngaid?
Müra sidumise vähendamiseks ja häiringute vältimiseks tundlike ja mürarikkate vooluringide vahel.
Kuidas erineb SRAM CMOS-is DRAM-ist ja flashist?
SRAM on kiire, kuid suurem suurusega, DRAM on tihedam, kuid vajab värskendust, ja välk hoiab andmeid ka ilma vooluta.