CMOS (комплементарный металл–оксид–полупроводник) — основная технология, используемая в современных чипах, поскольку она использует NMOS и PMOS транзисторы вместе для снижения потери энергии. Он поддерживает цифровые, аналоговые и смешанные сигнальные схемы в процессорах, памяти, сенсорах и беспроводных устройствах. В этой статье представлена информация о работе CMOS, этапах производства, масштабировании, энергопотреблении, надёжности и приложениях.
Основы технологий CMOS
Комплементарная металл-оксид-полупроводник (CMOS) — это основная технология, используемая для создания современных интегральных схем. Он использует два типа транзисторов: NMOS (n-канальный MOSFET) и PMOS (p-канальный MOSFET), расположенные так, что при включении один другой выключен. Это дополнительное действие помогает сократить потерю энергии при обычной работе.
CMOS позволяет размещать очень большое количество транзисторов на небольшой кусок кремния, сохраняя при этом управляемый уровень энергопотребления и тепла. Благодаря этому технология CMOS используется в цифровых, аналоговых и смешанных сигнальных схемах во многих современных электронных системах — от процессоров и памяти до датчиков и беспроводных чипов.
MOSFET устройства как ядро CMOS технологий
В технологии CMOS базовым электронным переключателем является MOSFET (Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор). Он построен на кремниевой пластине и состоит из четырёх основных частей: источника, дренажа, затвора и канала между источником и сливом. Затвор расположен поверх очень тонкого изоляционного слоя, называемого оксидом затвора, который отделяет его от канала.
Когда на затвор подаётся напряжение, заряд в канале меняется. Это либо позволяет току течь между источником и стоком, либо останавливает его. В NMOS-транзисторе ток передаётся электронами. В PMOS-транзисторе ток проводится через отверстия. Формируя NMOS и PMOS транзисторы в разных областях, называемых скважинами, технология CMOS позволяет размещать оба типа транзисторов на одном микросхеме.
Логическая работа CMOS в цифровых схемах
• CMOS логика использует пары NMOS и PMOS транзисторов для построения базовых логических элементов.
• Самый простой CMOS затвор — это инвертор, который меняет сигнал: когда вход равен 0, выход равен 1; Когда вход равен 1, выход равен 0.
• В CMOS инверторе PMOS транзистор подключает выход к положительному питанию при низком входе.
• NMOS-транзистор соединяет выход с землёй, когда вход высокий.
• В обычной работе одновременно включен только один путь (либо к питанию, либо к земле), поэтому статическое энергопотребление остаётся очень низким.
• Более сложные CMOS элементы, такие как NAND и NOR, создаются путём соединения нескольких NMOS и PMOS транзисторов последовательно и параллельно.
CMOS vs NMOS vs TTL: сравнение логических семейств
| Функция | CMOS | NMOS | TTL (Биполярное расстройство) |
|---|---|---|---|
| Статическая мощность (в простое) | Очень низкий уровень | Умеренный | Высокий |
| Динамическая мощность | Минимум для той же функции | Выше | На высокой скорости |
| Диапазон напряжения питания | Хорошо работает при низких напряжениях | Более ограниченное | Часто фиксируется около 5 В |
| Плотность интеграции | Очень высоко | Нижний | Низкий уровень по сравнению с CMOS |
| Типичное использование сегодня | Основной выбор в современных чипах | В основном старые или специальные схемы | В основном старые или специальные схемы |
Процесс изготовления CMOS-чипов
• Начните с чистой, высококачественной кремниевой пластины в качестве основы для CMOS-чипа.
• Сформировать области n-колодцев и p-ямы, где будут изготовлены транзисторы NMOS и PMOS.
• Вырастить или нанести тонкий слой оксида затвора на поверхность пластины.
• Отложить и сформировать материал затвора для создания транзисторных затворов.
• Имплантировать в области источника и дренажа подходящие допанти для транзисторов NMOS и PMOS.
• Построить изоляционные структуры так, чтобы близлежащие транзисторы не влияли друг на друга.
• Нанесение изоляционных и металлических слоев для соединения транзисторов с рабочими цепями.
• Добавить больше металлических слоёв и небольших вертикальных связей, называемых виа, чтобы направлять сигналы по микросхеме.
• Завершите защитными пассивационными слоями, затем разрежьте пластину на отдельные чипы, упаковайте их и протестируйте.
Масштабирование технологий в CMOS
Со временем технология CMOS перешла от элементов размером с микрометр до элементов размером с нанометр. По мере уменьшения размеров транзисторов их больше может помещаться на одну и ту же область чипа. Меньшие транзисторы также могут переключаться быстрее и часто работать при более низких напряжениях питания, что улучшает производительность и снижает количество энергии за операцию. Однако уменьшение CMOS-устройств также приносит вызовы:
• Очень маленькие транзисторы могут пропускать больше тока, увеличивая резервную мощность.
• Короткоканальные эффекты затрудняют управление транзисторами.
• Вариации процесса приводят к тому, что параметры транзисторов сильно различаются от одного устройства к другому.
Для решения этих проблем используются более новые транзисторные структуры, такие как FinFET и универсальные устройства с вентиляцией, а также более продвинутые этапы процесса и более строгие правила проектирования в современных технологиях CMOS.
Типы энергопотребления в CMOS схемах
| Тип мощности | Когда это происходит | Главная причина | Простой эффект |
|---|---|---|---|
| Динамическая мощность | Когда сигналы переключаются между 0 и 1 | Заряжание и разрядка крошечных конденсаторов | Увеличивается по мере увеличения переключения и частоты |
| Питание короткого замыкания | Короткое время, пока гейт переключается | NMOS и PMOS частично работают вместе | Дополнительная энергия, используемая при сменах |
| Мощность утечки | Даже когда сигналы не переключаются | Малый ток, проходящий через транзисторы | Становится базовым при очень маленьких размерах |
Механизмы отказа в технологиях CMOS
CMOS устройства могут выйти из строя из-за захвата, повреждения ESD, длительного старения и износа металлических соединений. Фиксация происходит, когда паразитные PNPN-пути внутри чипа включаются и создают низкосопротивление соединения между VCC и землёй; Сильные контакты скважин, защитные кольца и достаточное расстояние между раскладками помогают подавлять его. ESD (электростатический разряд) может пробиваться сквозь оксиды тонких затворов и переходы при быстрых скачках напряжения на контакты, поэтому площадки ввода/вывода обычно оснащены специализированными зажимами и диодными защитными сетями. Со временем BTI и горячая несущая инжекция сдвигают параметры транзистора, а также чрезмерная плотность тока могут вызвать электромиграцию, ослабляющую или разрывающую металлические линии.
Цифровые строительные блоки в технологиях CMOS
• Базовые логические элементы, такие как инверторы, NAND, NOR и XOR, построены из CMOS-транзисторов.
• Последовательные элементы, такие как защёлки и тригеры, удерживают и обновляют фрагменты цифровых данных.
• Блоки путей данных, включая сумматоры, мультиплексоры, шифтеры и счётчики, формируются путём объединения множества CMOS элементов.
• Блоки памяти, такие как ячейки SRAM, сгруппированы в массивы для небольших встроенных хранилищ.
• Стандартные ячейки — это заранее разработанные CMOS-логические блоки, которые цифровые инструменты повторно используют на микросхеме.
• Крупные цифровые системы, включая процессоры, контроллеры и кастомные ускорители, создаются путём соединения многих стандартных ячеек и блоков памяти в технологии CMOS.
Аналоговые и радиочастотные схемы в технологии CMOS
Технология CMOS не ограничивается цифровой логикой. Он также может использоваться для создания аналоговых схем, работающих с непрерывными сигналами:
• Блоки, такие как усилители, компараторы и эталонные параметры напряжения, изготавливаются из КМОП-транзисторов и пассивных компонентов.
• Эти схемы помогают воспринимать, формировать и управлять сигналами до или после цифровой обработки.
CMOS также может поддерживать радиочастотные (RF) цепи:
• Низкошумные усилители, микшеры и осцилляторы могут быть реализованы в том же CMOS-процессе, что и цифровая логика.
• При объединении аналоговых, радиочастотных и цифровых блоков на одном чипе технология CMOS позволяет создавать смешанные сигнальные или радиочастотные системы на чипе, которые обеспечивают как обработку сигналов, так и коммуникацию на одном кристалле.
Применение технологии CMOS
| Область применения | Основная роль CMOS | Примеры устройств |
|---|---|---|
| Процессоры | Цифровая логика и управление | Прикладные процессоры, микроконтроллеры |
| Память | Хранение данных с использованием SRAM, флэш-памяти и других | Кэш-память, встроенная флеш |
| Датчики изображения | Активные пиксельные массивы и схемы считывания | Камеры смартфонов, веб-камеры |
| Аналоговые интерфейсы | Усилители, АЦП и ЦАПы | Сенсорные интерфейсы, аудиокодеки |
| RF и беспроводная связь | RF-фронтенд и локальные генераторы | Wi-Fi, Bluetooth, сотовые трансиверы |
Заключение
CMOS поддерживает высокую плотность транзисторов, низкую статическую мощность и быструю переключение в современных интегральных схемах. Он создаёт логические элементы, блоки памяти и крупные цифровые системы, а также поддерживает аналоговые и радиочастотные цепи на одном чипе. По мере продолжения масштабирования увеличиваются утечки, эффекты короткого канала и вариации устройств, поэтому используются новые структуры, такие как FinFET и универсальные элементы вентиляций.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
В чём разница между n-well, p-well и twin-well CMOS?
n-well строит PMOS в n-колодцах, p-well — NMOS в p-колодцах, а twin-well использует оба источника для лучшего контроля поведения транзисторов.
Почему CMOS чипы используют несколько слоёв металла?
Для подключения большего количества сигналов, снижения перегрузки маршрутизации и повышения эффективности проводки по всему чипу.
Каков эффект тела в CMOS транзисторе?
Это изменение порогового напряжения, вызванное разницей напряжений между источником и корпусом транзистора.
Что такое конденсаторы для разъединения в CMOS-чипах?
Они стабилизируют источник питания, снижая падения напряжения и шум во время переключения.
Зачем CMOS нужны щиты и защитные кольца?
Для снижения шумовой связи и предотвращения помех между чувствительными и шумными зонами цепи.
Чем SRAM отличается от DRAM и flash в CMOS?
SRAM быстрая, но больше по размеру, DRAM плотнее, но требует обновления, а flash сохраняет данные даже без питания.