CMOS (papildomas metalo-oksido-puslaidininkis) yra pagrindinė šiuolaikiniuose lustuose naudojama technologija, nes ji naudoja NMOS ir PMOS tranzistorius kartu, kad sumažintų energijos švaistymą. Jis palaiko skaitmenines, analogines ir mišrių signalų grandines procesoriuose, atmintyje, jutikliuose ir belaidžiuose įrenginiuose. Šiame straipsnyje pateikiama informacija apie CMOS veikimą, gamybos veiksmus, mastelio keitimą, energijos suvartojimą, patikimumą ir programas.
CMOS technologijos pagrindai
Papildomas metalo-oksido-puslaidininkis (CMOS) yra pagrindinė technologija, naudojama kuriant šiuolaikinius integrinius grandynus. Jame naudojami dviejų tipų tranzistoriai, NMOS (n kanalo MOSFET) ir PMOS (p kanalo MOSFET), išdėstyti taip, kad kai vienas įjungtas, kitas būtų išjungtas. Šis papildomas veiksmas padeda sumažinti energijos švaistymą įprasto veikimo metu.
CMOS leidžia ant nedidelio silicio gabalėlio uždėti labai daug tranzistorių, išlaikant valdomą energijos suvartojimą ir šilumą. Dėl šios priežasties CMOS technologija naudojama skaitmeninėse, analoginėse ir mišrių signalų grandinėse daugelyje šiuolaikinių elektroninių sistemų – nuo procesorių ir atminties iki jutiklių ir belaidžių lustų.
MOSFET įrenginiai kaip CMOS technologijos pagrindas
CMOS technologijoje MOSFET (metalo-oksido-puslaidininkių lauko tranzistorius) yra pagrindinis elektroninis jungiklis. Jis pastatytas ant silicio plokštelės ir susideda iš keturių pagrindinių dalių: šaltinio, kanalizacijos, vartų ir kanalo tarp šaltinio ir kanalizacijos. Vartai yra ant labai plono izoliacinio sluoksnio, vadinamo vartų oksidu, kuris atskiria juos nuo kanalo.
Kai vartams įjungiama įtampa, ji keičia kanalo krūvį. Tai leidžia srovei tekėti tarp šaltinio ir kanalizacijos arba ją sustabdo. NMOS tranzistoriuje srovę perneša elektronai. PMOS tranzistoriuje srovė perduodama skylėmis. Formuojant NMOS ir PMOS tranzistorius skirtinguose regionuose, vadinamuose šuliniais, CMOS technologija gali įdėti abiejų tipų tranzistorius į tą patį lustą.
CMOS loginis veikimas skaitmeninėse grandinėse
• CMOS logika naudoja NMOS ir PMOS tranzistorių poras, kad sukurtų pagrindinius loginius vartus.
• Paprasčiausi CMOS vartai yra keitiklis, kuris apverčia signalą: kai įėjimas yra 0, išėjimas yra 1; kai įvestis yra 1, išvestis yra 0.
• CMOS keitiklyje PMOS tranzistorius prijungia išėjimą prie teigiamo maitinimo šaltinio, kai įvestis yra maža.
• NMOS tranzistorius prijungia išėjimą prie žemės, kai įėjimas yra aukštas.
• Įprastai veikiant, vienu metu yra tik vienas kelias (į maitinimą arba į žemę), todėl statinės energijos sąnaudos išlieka labai mažos.
• Sudėtingesni CMOS vartai, tokie kaip NAND ir NOR, sukuriami nuosekliai ir lygiagrečiai sujungiant kelis NMOS ir PMOS tranzistorius.
CMOS vs NMOS vs TTL: loginės šeimos palyginimas
| Funkcija | CMOS | NMOS | TTL (bipolinis) |
|---|---|---|---|
| Statinė galia (tuščiąja eiga) | Labai mažas | Vidutinis | Aukštas |
| Dinaminė galia | Mažas už tą pačią funkciją | Aukštesnis | Didelis dideliu greičiu |
| Maitinimo įtampos diapazonas | Gerai veikia esant žemai įtampai | Labiau ribotas | Dažnai fiksuojamas apie 5 V |
| Integracijos tankis | Labai didelis | Apatinis | Žemas, palyginti su CMOS |
| Įprastas naudojimas šiandien | Pagrindinis šiuolaikinių lustų pasirinkimas | Dažniausiai senesnės arba specialios grandinės | Dažniausiai senesnės arba specialios grandinės |
CMOS lustų gamybos procesas
• Pradėkite nuo švarios, aukštos kokybės silicio plokštelės kaip CMOS lusto pagrindo.
• Suformuokite n-šulinio ir p-šulinio regionus, kuriuose bus gaminami NMOS ir PMOS tranzistoriai.
• Ant plokštelės paviršiaus išauginkite arba nusodinkite ploną vartų oksido sluoksnį.
• Nusodinkite ir modeliuokite vartų medžiagą, kad sukurtumėte tranzistoriaus vartus.
• Implantuokite šaltinio ir drenažo sritis su tinkamais NMOS ir PMOS tranzistorių dopantais.
• Pastatykite izoliacines konstrukcijas, kad netoliese esantys tranzistoriai nepaveiktų vienas kito.
• Nusodinkite izoliacinius sluoksnius ir metalinius sluoksnius, kad tranzistoriai būtų prijungti prie darbinių grandinių.
• Pridėkite daugiau metalinių sluoksnių ir mažų vertikalių jungčių, vadinamų vias, kad nukreiptumėte signalus per lustą.
• Užbaikite apsauginiais pasyvinimo sluoksniais, tada supjaustykite plokštelę į atskiras drožles, supakuokite jas ir išbandykite.
Technologijų mastelio keitimas CMOS
Laikui bėgant, CMOS technologija perėjo nuo mikrometro dydžio funkcijų iki nanometro dydžio funkcijų. Kai tranzistoriai mažėja, daugiau jų gali tilpti toje pačioje lusto srityje. Mažesni tranzistoriai taip pat gali persijungti greičiau ir dažnai gali veikti esant mažesnei maitinimo įtampai, o tai pagerina našumą ir sumažina energiją vienai operacijai. Tačiau CMOS įrenginių mažėjimas taip pat kelia iššūkių:
• Labai maži tranzistoriai gali nutekėti daugiau srovės, padidindami budėjimo režimo galią.
• Dėl trumpų kanalų efektų tranzistorius sunkiau valdyti.
• Dėl proceso variacijų tranzistoriaus parametrai įvairiuose įrenginiuose skiriasi labiau.
Šioms problemoms spręsti naudojamos naujesnės tranzistorių struktūros, tokios kaip "FinFET" ir "gate-all-around" įrenginiai, kartu su pažangesniais proceso etapais ir griežtesnėmis šiuolaikinės CMOS technologijos projektavimo taisyklėmis.
Energijos suvartojimo tipai CMOS grandinėse
| Maitinimo tipas | Kai tai atsitinka | Pagrindinė priežastis | Paprastas efektas |
|---|---|---|---|
| Dinaminė galia | Kai signalai persijungia nuo 0 iki 1 | Mažų kondensatorių įkrovimas ir iškrovimas | Didėja perjungiant ir laikrodžiui kylant |
| Trumpojo jungimo maitinimas | Trumpam laikui, kol vartai persijungia | NMOS ir PMOS iš dalies veikia kartu | Papildoma galia sunaudojama keičiant |
| Nuotėkio galia | Net kai signalai nepersijungia | Maža srovė, tekanti per tranzistorius | Tampa pagrindinis labai mažais dydžiais |
CMOS technologijos gedimų mechanizmai
CMOS įrenginiai gali sugesti dėl užrakto, ESD pažeidimo, ilgalaikio senėjimo ir metalo jungčių susidėvėjimo. Užraktas įvyksta, kai parazitiniai PNPN keliai lusto viduje įsijungia ir sukuria mažo pasipriešinimo ryšį tarp VCC ir žemės; Stiprūs šulinio kontaktai, apsauginiai žiedai ir tinkamas išdėstymas padeda jį slopinti. ESD (elektrostatinė iškrova) gali pramušti plonus vartų oksidus ir sankryžas, kai greiti įtampos šuoliai atsitrenkia į kaiščius, todėl įvesties / išvesties trinkelėse paprastai yra specialūs spaustukai ir diodų apsaugos tinklai. Laikui bėgant, PTI ir karšto nešiklio įpurškimo tranzistoriaus parametrai ir per didelis srovės tankis gali sukelti elektromigraciją, kuri susilpnina arba nutraukia metalines linijas.
Skaitmeniniai CMOS technologijos blokai
• Pagrindiniai loginiai vartai, tokie kaip keitikliai, NAND, NOR ir XOR, yra pagaminti iš CMOS tranzistorių.
• Nuoseklūs elementai, tokie kaip skląsčiai ir šlepetės, sulaiko ir atnaujina skaitmeninių duomenų bitus.
• Duomenų kelio blokai, įskaitant papildytuvus, multiplekserius, perjungiklius ir skaitiklius, formuojami derinant daugybę CMOS vartų.
• Atminties blokai, tokie kaip SRAM elementai, yra sugrupuoti į masyvus, skirtus mažoms lustų saugykloms.
• Standartiniai elementai yra iš anksto sukurti CMOS loginiai blokai, kuriuos skaitmeniniai įrankiai pakartotinai naudoja luste.
• Didelės skaitmeninės sistemos, įskaitant procesorius, valdiklius ir pasirinktinius greitintuvus, sukuriamos sujungiant daugelį standartinių elementų ir atminties blokų CMOS technologijoje.
Analoginės ir RF grandinės CMOS technologijoje
CMOS technologija neapsiriboja skaitmenine logika. Jis taip pat gali būti naudojamas kuriant analogines grandines, veikiančias su nuolatiniais signalais:
• Blokai, tokie kaip stiprintuvai, komparatoriai ir įtampos nuorodos, yra pagaminti iš CMOS tranzistorių ir pasyvių komponentų.
• Šios grandinės padeda pajusti, formuoti ir valdyti signalus prieš arba po skaitmeninio apdorojimo.
CMOS taip pat gali palaikyti RF (radijo dažnio) grandines:
• Mažo triukšmo stiprintuvai, maišytuvai ir osciliatoriai gali būti įdiegti tame pačiame CMOS procese, kuris naudojamas skaitmeninei logikai.
• Kai analoginiai, RF ir skaitmeniniai blokai yra sujungti viename luste, CMOS technologija leidžia mišraus signalo arba RF sistemos luste sprendimus, kurie apdoroja signalus ir ryšį viename štampe.
CMOS technologijos taikymas
| Taikymo sritis | Pagrindinis CMOS vaidmuo | Įrenginių pavyzdžiai |
|---|---|---|
| Perdirbėjai | Skaitmeninė logika ir valdymas | Taikomųjų programų procesoriai, mikrovaldikliai |
| Atmintis | Duomenų saugojimas naudojant SRAM, "flash" ir kt. | Talpyklos atmintis, įterpta "flash" |
| Vaizdo jutikliai | Aktyvūs pikselių masyvai ir nuskaitymo grandinės | Išmaniųjų telefonų kameros, internetinės kameros |
| Analoginės sąsajos | Stiprintuvai, ADC ir DAC | Jutiklių sąsajos, garso kodekai |
| RF ir belaidis ryšys | RF priekiniai ir vietiniai osciliatoriai | "Wi-Fi", "Bluetooth", mobiliojo ryšio siųstuvai-imtuvai |
Išvada
CMOS palaiko didelį tranzistorių tankį, mažą statinę galią ir greitą perjungimą šiuolaikiniuose integriniuose grandynuose. Jis kuria loginius vartus, atminties blokus ir dideles skaitmenines sistemas, taip pat palaiko analogines ir RF grandines tame pačiame luste. Tęsiantis mastelio keitimui, didėja nuotėkis, trumpųjų kanalų efektai ir įrenginių kitimai, todėl naudojamos naujesnės struktūros, tokios kaip "FinFET" ir "gate-all-around".
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kuo skiriasi n-well, p-well ir twin-well CMOS?
n-šulinys sukuria PMOS n-šuliniuose, p-šulinys sukuria NMOS p-šuliniuose, o dvigubas šulinys naudoja abu geresniam tranzistoriaus elgesio valdymui.
Kodėl CMOS lustai naudoja kelis metalinius sluoksnius?
Norėdami prijungti daugiau signalų, sumažinti maršruto parinkimo spūstis ir pagerinti laidų efektyvumą visame luste.
Koks yra CMOS tranzistoriaus kūno poveikis?
Tai slenksčio įtampos pokytis, kurį sukelia įtampos skirtumas tarp šaltinio ir tranzistoriaus korpuso.
Kas yra CMOS lustų atjungimo kondensatoriai?
Jie stabilizuoja maitinimo šaltinį, sumažindami įtampos kritimus ir triukšmą perjungimo metu.
Kodėl CMOS reikalingi ekranai ir apsauginiai žiedai?
Sumažinti triukšmo sujungimą ir išvengti trukdžių tarp jautrių ir triukšmingų grandinės sričių.
Kuo SRAM skiriasi nuo DRAM ir "flash" CMOS?
SRAM yra greita, bet didesnio dydžio, DRAM yra tankesnė, bet ją reikia atnaujinti, o "flash" saugo duomenis net ir be maitinimo.