CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) to główna technologia stosowana we współczesnych układach scalonych, ponieważ wykorzystuje tranzystory NMOS i PMOS razem, aby zmniejszyć straty energii. Obsługuje układy cyfrowe, analogowe i mieszane w procesorach, pamięci, czujnikach i urządzeniach bezprzewodowych. Ten artykuł zawiera informacje o działaniu CMOS, etapach produkcji, skalowaniu, zużyciu energii, niezawodności oraz zastosowaniach.
Podstawy technologii CMOS
Komplementarny metal–tlenek–półprzewodnik (CMOS) to główna technologia stosowana do budowy nowoczesnych układów scalonych. Wykorzystuje dwa typy tranzystorów: NMOS (n-channel MOSFET) i PMOS (p-channel MOSFET), ułożone tak, że gdy jeden jest włączony, drugi jest wyłączony. To uzupełniające działanie pomaga ograniczyć marnotrawstwo energii podczas normalnej pracy.
CMOS umożliwia umieszczenie bardzo dużej liczby tranzystorów na małym kawałku krzemu, przy jednoczesnym utrzymaniu zużycia energii i ciepła na rozsądnym poziomie. Z tego powodu technologia CMOS jest stosowana w układach cyfrowych, analogowych i mieszanych w wielu nowoczesnych systemach elektronicznych, od procesorów i pamięci po czujniki i układy bezprzewodowe.
Urządzenia MOSFET jako rdzeń technologii CMOS
W technologii CMOS MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) jest podstawowym elektronicznym przełącznikiem. Jest zbudowany na waflu krzemowym i składa się z czterech głównych części: źródła, odpływu, bramki oraz kanału między źródłem a odpływem. Bramka znajduje się na bardzo cienkiej warstwie izolacyjnej zwanej tlenkiem bramki, która oddziela ją od kanału.
Gdy na bramce przyłożone jest napięcie, zmienia się ładunek w kanale. Pozwala to albo na przepływ prądu między źródłem a odpływem, albo go zatrzymuje. W tranzystorze NMOS prąd jest przenoszony przez elektrony. W tranzystorze PMOS prąd jest prowadzony przez otwory. Poprzez formowanie tranzystorów NMOS i PMOS w różnych regionach zwanych studniami, technologia CMOS pozwala umieścić oba typy tranzystorów na tym samym chipie.
Operacja logiczna CMOS w układach cyfrowych
• Logika CMOS wykorzystuje pary tranzystorów NMOS i PMOS do budowy podstawowych bramek logicznych.
• Najprostszą bramką CMOS jest falownik, który odwraca sygnał: gdy wejście wynosi 0, wyjście wynosi 1; gdy wejście wynosi 1, wyjście wynosi 0.
• W inwerterze CMOS tranzystor PMOS łączy wyjście z dodatnim zasilaniem, gdy wejście jest niskie.
• Tranzystor NMOS łączy wyjście z masą, gdy wejście jest wysokie.
• W normalnej pracy włączona jest tylko jedna ścieżka (do zasilania lub do masy), więc zużycie energii pozostaje bardzo niskie.
• Bardziej złożone bramki CMOS, takie jak NAND i NOR, powstają poprzez połączenie wielu tranzystorów NMOS i PMOS szeregowo i równolegle.
CMOS vs NMOS vs TTL: porównanie rodzin logicznych
| Cecha | CMOS | NMOS | TTL (Bipolarny) |
|---|---|---|---|
| Moc statyczna (bezczynna) | Bardzo niski | Umiarkowany | Wysoki |
| Moc dynamiczna | Niskie dla tej samej funkcji | Wyżej | Wysokie przy dużej prędkości |
| Zakres napięcia zasilania | Działa dobrze przy niskich napięciach | Bardziej ograniczony | Często stała w okolicach 5 V |
| Gęstość całkowania | Bardzo wysoki | Dolny | Niskie w porównaniu do CMOS |
| Typowe zastosowanie dzisiaj | Główny wybór w nowoczesnych układach | Głównie starsze lub specjalne obwody | Głównie starsze lub specjalne obwody |
Proces wytwarzania układów CMOS
• Zaczynamy od czystej, wysokiej jakości płytki krzemowej jako podstawy dla układu CMOS.
• Utworzyć obszary n-well i p-well, w których powstaną tranzystory NMOS i PMOS.
• Hodować lub nałożyć cienką warstwę tlenku bramki na powierzchni płytki.
• Nałóż i wzoruj materiał bramki, aby stworzyć bramki tranzystorowe.
• Wszczepić odpowiednie domieszki do obszarów źródłowych i drenażowych dla tranzystorów NMOS i PMOS.
• Budować struktury izolacyjne, aby pobliskie tranzystory nie wpływały na siebie nawzajem.
• Warstwy izolujące osady oraz warstwy metalowe do łączenia tranzystorów z działającymi obwodami.
• Dodaj więcej warstw metalu i małych pionowych ogniwa zwanych via, aby kierować sygnały przez układ.
• Wykończyć warstwami pasywacji ochronnej, następnie pociąć płytkę na osobne odłamy, zapakować je i przetestować.
Skalowanie technologii w CMOS
Z biegiem czasu technologia CMOS przeszła od mikrometrowych elementów do nanometrowych. W miarę jak tranzystory się zmniejszają, więcej z nich może zmieścić się na tym samym obszarze układu. Mniejsze tranzystory mogą również przełączać się szybciej i często pracować przy niższych napięciach zasilania, co poprawia wydajność i zmniejsza zużycie energii na operację. Jednak kurczenie się urządzeń CMOS niesie ze sobą także wyzwania:
• Bardzo małe tranzystory mogą przeciekać więcej prądu, zwiększając moc czuwania.
• Efekty krótkokanałowe utrudniają sterowanie tranzystorami.
• Zmiany w procesie powodują, że parametry tranzystora różnią się bardziej w zależności od urządzenia.
Aby rozwiązać te problemy, stosuje się nowsze struktury tranzystorowe, takie jak FinFET i urządzenia gate-all-around, wraz z bardziej zaawansowanymi krokami procesowymi i surowszymi zasadami projektowania w nowoczesnej technologii CMOS.
Rodzaje zużycia energii w układach CMOS
| Typ mocy | Kiedy to się dzieje | Główna przyczyna | Efekt prosty |
|---|---|---|---|
| Moc dynamiczna | Gdy sygnały przełączają się między 0 a 1 | Ładowanie i rozładowywanie małych kondensatorów | Wzrasta wraz ze wzrostem przełączania i zegara |
| Zasilanie zwarcia | Przez krótki czas, gdy bramka przełącza się | NMOS i PMOS są częściowo aktywne razem | Dodatkowa moc zużywana podczas zmian |
| Moc przecieku | Nawet gdy sygnały nie przełączają się | Mały prąd przepływający przez tranzystory | Staje się podstawowy przy bardzo małych rozmiarach |
Mechanizmy awarii w technologii CMOS
Urządzenia CMOS mogą ulec awarii z powodu zatrzasku, uszkodzenia ESD, długotrwałego starzenia się i zużycia metalowych połączeń. Blok-up występuje, gdy pasożytnicze ścieżki PNPN wewnątrz układu się włączają i tworzą połączenie o niskim oporze między VCC a masą; Silne styki studni, pierścienie ochronne i odpowiednie odstępy układu pomagają go tłumić. ESD (wyładowanie elektrostatyczne) może przebić się przez cienkie tlenki bramki i złącza, gdy szybkie skoki napięcia uderzają w piny, dlatego pady I/O zwykle zawierają dedykowane zaciski i diodowe sieci ochronne. Z czasem BTI i wtrysk gorącej nośników zmieniają parametry tranzystorów, a nadmierna gęstość prądu może wywołać elektromigrację, która osłabia lub przerwie linie metalowe.
Cyfrowe elementy w technologii CMOS
• Podstawowe bramki logiczne, takie jak falowniki, NAND, NOR i XOR, są zbudowane z tranzystorów CMOS.
• Elementy sekwencyjne, takie jak zatrzaski i flip-flopy, przechowują i aktualizują bity danych cyfrowych.
• Bloki ścieżek danych, w tym sumatory, multipleksery, przesuwniki i liczniki, powstają przez połączenie wielu bramek CMOS.
• Bloki pamięci, takie jak komórki, są grupowane w tablice dla niewielkiej pamięci na chipie.
• Standardowe komórki to gotowe bloki logiczne CMOS, które narzędzia cyfrowe ponownie wykorzystują na całym chipie.
• Duże systemy cyfrowe, w tym procesory, kontrolery i niestandardowe akceleratory, powstają poprzez łączenie wielu standardowych komórek i bloków pamięci w technologii CMOS.
Układy analogowe i RF w technologii CMOS
Technologia CMOS nie ogranicza się tylko do logiki cyfrowej. Może być także używany do budowy analogowych układów współpracujących z sygnałami ciągłymi:
• Bloki takie jak wzmacniacze, komparatory i odniesienia napięciowe są tworzone z tranzystorów CMOS i elementów pasywnych.
• Układy te pomagają wykrywać, kształtować i kontrolować sygnały przed lub po przetwarzaniu cyfrowym.
CMOS może również obsługiwać obwody RF (radiowy):
• Wzmacniacze, miksery i oscylatory o niskim poziomie szumów mogą być implementowane w tym samym procesie CMOS, który stosuje się w logice cyfrowej.
• Gdy bloki analogowe, RF i cyfrowe są połączone na jednym chipie, technologia CMOS umożliwia rozwiązania systemu na chipie mieszanym sygnałem lub RF, które obsługują zarówno przetwarzanie sygnałów, jak i komunikację na jednym čipie.
Zastosowania technologii CMOS
| Obszar Zastosowania | Główna rola CMOS | Przykładowe urządzenia |
|---|---|---|
| Procesory | Logika cyfrowa i sterowanie | Procesory aplikacji, mikrokontrolery |
| Pamięć | Przechowywanie danych za pomocą, pamięci flash i innych | Pamięć podręczna, wbudowana pamięć flash |
| Czujniki obrazu | Aktywne matryce pikseli i układy odczytu | Kamery w smartfonach, kamery internetowe |
| Interfejsy analogowe | Wzmacniacze, ADC i DAC | Interfejsy sensorów, kodeki audio |
| RF i bezprzewodowe | RF front-endy i lokalne oscylatory | Wi-Fi, Bluetooth, transceivery komórkowe |
Podsumowanie
CMOS obsługuje wysoką gęstość tranzystorów, niską moc statyczną oraz szybkie przełączanie w nowoczesnych układach scalonych. Buduje bramki logiczne, bloki pamięci i duże systemy cyfrowe, a także obsługuje układy analogowe i RF na tym samym chipie. Wraz z postępem skalowania rośnie wyciek, efekty krótkich kanałów i różnorodność urządzeń, dlatego stosuje się nowsze struktury, takie jak FinFET-y i gate-all-around.
Najczęściej zadawane pytania [FAQ]
Jaka jest różnica między n-well, p-well a twin-well CMOS?
n-well buduje PMOS w n-wellach, p-well buduje NMOS w p-wellach, a twin-well wykorzystuje oba do lepszej kontroli zachowania tranzystorów.
Dlaczego układy CMOS używają wielu warstw metalowych?
Aby połączyć więcej sygnałów, zmniejszyć zatłoczenie trasowania i poprawić efektywność okablowania na całym chipie.
Jaki jest efekt ciała w tranzystorze CMOS?
Jest to zmiana napięcia progowego spowodowana różnicą napięcia między źródłem a korpusem tranzystora.
Czym są kondensatory rozdzielające w układach CMOS?
Stabilizują zasilanie poprzez redukcję spadków napięcia i szumów podczas przełączania.
Dlaczego CMOS potrzebuje osłon i pierścieni ochronnych?
Redukcja sprzężenia szumowego i zapobieganie zakłóceniom między wrażliwymi i głośnymi obszarami obwodu.
Czym różni się od DRAM i pamięci flash w CMOS?
jest szybka, ale większa pod względem rozmiaru, DRAM jest gęstszy, ale wymaga odświeżania, a flash przechowuje dane nawet bez zasilania.