CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) on pääasiallinen teknologia, jota käytetään nykyaikaisissa piireissä, koska se käyttää NMOS- ja PMOS-transistoreita yhdessä vähentääkseen hukkaan mennyttä tehoa. Se tukee digitaalisia, analogisia ja sekasignaalipiirejä prosessoreissa, muistissa, antureissa ja langattomissa laitteissa. Tämä artikkeli tarjoaa tietoa CMOS-toiminnasta, valmistusvaiheista, skaalaamisesta, virrankulutuksesta, luotettavuudesta ja sovelluksista.
CMOS-teknologian perusteet
Komplementaarinen metalli-oksidi-puolijohde (CMOS) on pääasiallinen teknologia, jota käytetään nykyaikaisten integroitujen piirien rakentamiseen. Se käyttää kahta transistorityyppiä, NMOS (n-kanava MOSFET) ja PMOS (p-kanava MOSFET), jotka on järjestetty niin, että kun toinen on päällä, toinen on pois päältä. Tämä täydentävä toimenpide auttaa vähentämään hukkaan mennyttä sähköä normaalissa käytössä.
CMOS mahdollistaa erittäin suuren määrän transistoreiden sijoittamisen pienelle piikappaleelle samalla kun virrankulutus ja lämpö pysyvät hallittavissa. Tämän vuoksi CMOS-teknologiaa käytetään digitaalisissa, analogisissa ja sekasignaalipiireissä monissa nykyaikaisissa elektroniikkajärjestelmissä, prosessoreista ja muistista antureihin ja langattomiin piireihin.
MOSFET-laitteet CMOS-teknologian ytimenä
CMOS-teknologiassa MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) on peruselektroninen kytkin. Se on rakennettu piikiekon päälle ja siinä on neljä pääosaa: lähde, viemäri, portti ja kanava lähteen ja viemärin välillä. Portti sijaitsee hyvin ohuen eristävän kerroksen, porttioksidin, päällä, joka erottaa sen kanavasta.
Kun portille syötetään jännite, kanavan varaus muuttuu. Tämä joko sallii virran kulkea lähteen ja viemärin välillä tai pysäyttää sen. NMOS-transistorissa virtaa kuljettavat elektronit. PMOS-transistorissa virta kulkee reikien kautta. Muodostamalla NMOS- ja PMOS-transistoreita eri alueille, joita kutsutaan kaivoiksi, CMOS-teknologia voi sijoittaa molemmat transistorityypit samalle sirulle.
CMOS-logiikka digitaalisissa piireissä
• CMOS-logiikka käyttää NMOS- ja PMOS-transistoripareja peruslogiikkaporttien rakentamiseen.
• Yksinkertaisin CMOS-portti on invertteri, joka kääntää signaalin: kun tulo on 0, lähtö on 1; kun tulo on 1, lähtö on 0.
• CMOS-invertterissä PMOS-transistori yhdistää ulostulon positiiviseen virtaan, kun tulo on matala.
• NMOS-transistori yhdistää ulostulon maahan, kun tulo on korkea.
• Normaalissa käytössä vain yksi reitti (joko virtalähteelle tai maahan) on päällä samanaikaisesti, joten staattinen virrankulutus pysyy hyvin alhaisena.
• Monimutkaisemmat CMOS-portit, kuten NAND ja NOR, luodaan yhdistämällä useita NMOS- ja PMOS-transistoreita sarjaan ja rinnakkain.
CMOS vs NMOS vs TTL: Logiikkaperheen vertailu
| Ominaisuus | CMOS | NMOS | TTL (kaksisuuntainen mielialahäiriö) |
|---|---|---|---|
| Staattinen teho (lepotila) | Erittäin matala | Maltillinen | Korkea |
| Dynaaminen teho | Matala samalle funktiolle | Korkeampi | Korkealla nopeudella |
| Syöttöjännitealue | Toimii hyvin matalilla jännitteillä | Rajoitetumpaa | Usein kiinnitetty noin 5 V |
| Integraatiotiheys | Erittäin korkea | Alempi | Alhainen verrattuna CMOS:iin |
| Tyypillinen käyttö nykyään | Päävalinta nykyaikaisissa piireissä | Enimmäkseen vanhemmat tai erikoispiirit | Enimmäkseen vanhemmat tai erikoispiirit |
CMOS-sirujen valmistusprosessi
• Aloita puhtaalla, laadukkaalla piikiekolla, joka toimii CMOS-piirin pohjana.
• Muodosta n-well- ja p-well-alueita, joissa valmistetaan NMOS- ja PMOS-transistorit.
• Kasvata tai kerrosta ohut porttioksidikerros waferin pinnalle.
• Kerrosta ja kuvioi porttimateriaali transistoriporttien luomiseksi.
• Istuta lähde- ja tyhjennysalueet oikeilla dopantteilla NMOS- ja PMOS-transistoreille.
• Rakentaa eristysrakenteita, jotta lähellä olevat transistorit eivät vaikuta toisiinsa.
• Talleta eristäviä ja metallikerroksia transistorien yhdistämiseksi toimiviin piireihin.
• Lisää lisää metallikerroksia ja pieniä pystysuoria linkkejä, joita kutsutaan via-yhteyksiksi, jotka ohjaavat signaaleja sirun yli.
• Viimeistele suojaavilla passivointikerroksilla, leikkaa wafer erillisiksi siruiksi, pakkaa ne ja testaa ne.
Teknologian skaalaus CMOS:ssa
Ajan myötä CMOS-teknologia on siirtynyt mikrometrin kokoisista ominaisuuksista nanometrin kokoisiksi. Kun transistorit pienenevät, sitä enemmän niitä mahtuu samalle sirualueelle. Pienemmät transistorit voivat myös vaihtaa nopeammin ja voivat usein toimia matalammalla virtajännitteellä, mikä parantaa suorituskykyä ja vähentää energiaa per käyttökerta. Mutta CMOS-laitteiden kutistuminen tuo mukanaan myös haasteita:
• Hyvin pienet transistorit voivat vuotaa enemmän virtaa, mikä lisää valmiustilan tehoa.
• Lyhytkanavaiset vaikutukset vaikeuttavat transistoreiden hallintaa.
• Prosessivaihtelut aiheuttavat transistoriparametrien vaihtelua laitteittain.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi käytetään uudempia transistorirakenteita, kuten FinFETejä ja porttilaitteita, sekä kehittyneempiä prosessivaiheita ja tiukempia suunnittelusääntöjä nykyaikaisessa CMOS-teknologiassa.
CMOS-piirien virrankulutustyypit
| Tehotyyppi | Kun se tapahtuu | Pääasiallinen syy | Yksinkertainen vaikutus |
|---|---|---|---|
| Dynaaminen teho | Kun signaalit vaihtavat välillä 0 ja 1 | Pienten kondensaattoreiden lataaminen ja purkaminen | Kasvaa, kun kytkentä ja kellotaajuus nousevat |
| Oikosulku | Lyhyen aikaa, kun portti vaihtaa | NMOS ja PMOS ovat osittain käynnissä | Lisäteho muutosten aikana |
| Vuotovirta | Vaikka signaalit eivät vaihtaisi | Pieni virta transistorien läpi | Muuttuu perustason hyvin pienissä kooissa |
Vikamekanismit CMOS-teknologiassa
CMOS-laitteet voivat vikaantua lukituksen, ESD-vaurioiden, pitkäaikaisen ikääntymisen ja metalliliittimien kulumisen vuoksi. Lukitus tapahtuu, kun loismaiset PNPN-reitit sirun sisällä käynnistyvät ja luovat matalan resistanssin yhteyden VCC:n ja maan välille; Vahvat kaivokontaktit, suojarenkaat ja riittävä asettelun etäisyys auttavat tukahduttamaan sen. ESD (elektrostaattinen purkaus) voi läpäistä ohuita porttioksideja ja liitoksia, kun nopeat jännitepiikit osuvat nasteihin, joten I/O-padit sisältävät yleensä omat puristimet ja diodipohjaiset suojaverkot. Ajan myötä BTI:n ja kuuman kantataajuuden injektioinnin siirtymätransistoriparametrit sekä liiallinen virran tiheys voivat laukaista sähkömigraatiota, joka heikentää tai katkaisee metallilinjoja.
Digitaaliset rakennuspalikat CMOS-teknologiassa
• Peruslogiikkaportit, kuten invertterit, NAND, NOR ja XOR, rakennetaan CMOS-transistoreista.
• Peräkkäiset elementit, kuten lukot ja varvassandaalit, pitävät ja päivittävät digitaalisia datapätkiä.
• Datapolkulohkot, mukaan lukien summaajat, multiplekserit, siirtäjät ja laskurit, muodostetaan yhdistämällä useita CMOS-portteja.
• Muistilohkot, kuten SRAM-solut, ryhmitellään taulukoiksi pieniä sirun sisäisiä tallennustilaa varten.
• Standardisolut ovat valmiiksi suunniteltuja CMOS-logiikkalohkoja, joita digitaaliset työkalut käyttävät uudelleen sirun yli.
• Suuret digitaaliset järjestelmät, mukaan lukien suorittimet, ohjaimet ja räätälöidyt kiihdyttimet, luodaan yhdistämällä monia standardisoluja ja muistilohkoja CMOS-teknologialla.
Analogiset ja RF-piirit CMOS-teknologiassa
CMOS-teknologia ei rajoitu digitaaliseen logiikkaan. Sitä voidaan käyttää myös analogisten piirien rakentamiseen, jotka toimivat jatkuvien signaalien kanssa:
• Lohkot, kuten vahvistimet, vertailijat ja jännitereferenssit, valmistetaan CMOS-transistoreista ja passiivikomponenteista.
• Nämä piirit auttavat tunnistamaan, muotoilemaan ja hallitsemaan signaaleja ennen tai jälkeen digitaalisen käsittelyn.
CMOS voi myös tukea RF- (radiotaajuus) -piirejä:
• Matalakohinaiset vahvistimet, mikserit ja oskillaattorit voidaan toteuttaa samassa CMOS-prosessissa kuin digitaalisessa logiikassa.
• Kun analogiset, RF- ja digitaaliset lohkot yhdistetään yhdelle sirulle, CMOS-teknologia mahdollistaa sekasignaali- tai RF-järjestelmäpohjaiset siruratkaisut, jotka hoitavat sekä signaalinkäsittelyn että viestinnän yhdellä sirulla.
CMOS-teknologian sovellukset
| Sovellusalue | Päärooli CMOS:ssa | Esimerkkilaitteet |
|---|---|---|
| Prosessorit | Digitaalinen logiikka ja ohjaus | Sovellusprosessorit, mikrokontrollerit |
| Muisti | Tietojen tallennus SRAM-muistilla, flashilla ja muilla | Välimuisti, upotettu flash |
| Kuvakennot | Aktiiviset pikselitaulukot ja lukupiirit | Älypuhelinkamerat, webkamerat |
| Analogiset liitännät | Vahvistimet, ADC:t ja DAC:t | Anturiliitännät, äänikoodekit |
| RF ja langaton | RF-etupäät ja paikalliset oskillaattorit | Wi-Fi, Bluetooth, matkapuhelinlähettimet |
Johtopäätös
CMOS tukee korkeaa transistoritiheyttä, matalaa staattista tehoa ja nopeaa kytkentää nykyaikaisissa integroiduissa piireissä. Se rakentaa logiikkaportteja, muistilohkoja ja suuria digitaalisia järjestelmiä, samalla kun se tukee analogisia ja RF-piirejä samalla sirulla. Kun skaalaus jatkuu, vuoto, lyhyen kanavan vaikutukset ja laitteiden vaihtelu lisääntyvät, käytetään uusia rakenteita, kuten FinFETejä ja portti-all-aroundia.
Usein kysytyt kysymykset [UKK]
Mikä on ero n-wellin, p-wellin ja twin-well CMOS:n välillä?
n-well rakentaa PMOS:n n-welleissä, p-well rakentaa NMOS:n p-wellissä ja twin-well käyttää molempia transistorien käyttäytymisen paremman hallinnan takaamiseksi.
Miksi CMOS-piirit käyttävät useita metallikerroksia?
Yhdistämällä enemmän signaaleja, vähentämään reitityksen ruuhkia ja parantamaan johdotuksen tehokkuutta koko sirussa.
Mikä on kehon vaikutus CMOS-transistorissa?
Se on kynnysjännitteen muutos, joka johtuu jännite-erosta lähteen ja transistorin rungon välillä.
Mitä ovat CMOS-piirien irrotuskondensaattorit?
Ne vakauttavat virtalähdettä vähentämällä jännitehäviöitä ja kohinaa kytkennän aikana.
Miksi CMOS tarvitsee suojat ja suojarenkaat?
Vähentääkseen kohinakytkentää ja estääkseen häiriöt herkkien ja meluisten piirialueiden välillä.
Miten SRAM eroaa DRAMista ja flashista CMOS:ssa?
SRAM on nopea mutta suurempi kooltaan, DRAM on tiheämpi mutta tarvitsee päivitystä, ja flash säilyttää datan jopa ilman virtaa.