CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) je hlavní technologie používaná v moderních čipech, protože využívá NMOS a PMOS tranzistory společně ke snížení plýtvání energií. Podporuje digitální, analogové a smíšené signálové obvody v procesorech, paměti, senzorech a bezdrátových zařízeních. Tento článek poskytuje informace o provozu CMOS, výrobních krocích, škálování, spotřebě energie, spolehlivosti a aplikacích.
Základy CMOS technologie
Komplementární kov–oxid–polovodič (CMOS) je hlavní technologií používanou k výrobě moderních integrovaných obvodů. Používá dva typy tranzistorů, NMOS (n-kanálový MOSFET) a PMOS (p-kanálový MOSFET), uspořádané tak, že když je jeden zapnutý, druhý vypnutý. Tato doplňková funkce pomáhá snižovat plýtvání energií během běžného provozu.
CMOS umožňuje umístit velmi velký počet tranzistorů na malý kus křemíku a zároveň udržet spotřebu energie a teplo na zvládnutelné úrovni. Z tohoto důvodu se technologie CMOS používá v digitálních, analogových a smíšených signálových obvodech v mnoha moderních elektronických systémech, od procesorů a pamětí až po senzory a bezdrátové čipy.
MOSFET zařízení jako jádro CMOS technologie
V technologii CMOS je MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) základním elektronickým spínačem. Je postaven na silikonové destičce a má čtyři hlavní části: zdroj, odtok, bránu a kanál mezi zdrojem a odtokem. Hradlo leží na velmi tenké izolační vrstvě zvané oxid brány, která ji odděluje od kanálu.
Když je na hradlo aplikováno napětí, mění se náboj v kanálu. To buď umožní proudu proudu mezi zdrojem a odtokem, nebo ho zastaví. V NMOS tranzistoru je proud přenášen elektrony. V tranzistoru PMOS je proud veden otvory. Vytvořením tranzistorů NMOS a PMOS v různých oblastech nazývaných studny může technologie CMOS umístit oba typy tranzistorů na stejný čip.
CMOS logická operace v digitálních obvodech
• CMOS logika využívá páry tranzistorů NMOS a PMOS k sestavení základních logických hradel.
• Nejjednodušší CMOS hradlo je invertor, který přepíná signál: když je vstup 0, výstup je 1; když je vstup 1, výstup je 0.
• V CMOS měniči připojuje PMOS tranzistor výstup k kladnému zdroji, když je vstup nízký.
• NMOS tranzistor připojuje výstup k zemi, když je vstup vysoký.
• Při běžném provozu je zapnuta pouze jedna cesta (buď k napájení, nebo k zemi), takže statická spotřeba energie zůstává velmi nízká.
• Složitější CMOS hradla, jako NAND a NOR, vznikají propojením více tranzistorů NMOS a PMOS do série a paralelně.
CMOS vs NMOS vs TTL: Srovnání logických rodin
| Funkce | CMOS | NMOS | TTL (bipolární porucha) |
|---|---|---|---|
| Statický výkon (v klidu) | Velmi nízké | Střední | Vysoké |
| Dynamická moc | Nízké pro stejnou funkci | Vyšší | Vysoká rychlost |
| Rozsah napájecího napětí | Funguje dobře při nízkých napětích | Omezenější | Často fixováno kolem 5 V |
| Integrační hustota | Velmi vysoké | Nižší | Nízké ve srovnání s CMOS |
| Typické použití dnes | Hlavní volba v moderních čipech | Většinou starší nebo speciální obvody | Většinou starší nebo speciální obvody |
Proces výroby CMOS čipů
• Začít s čistou, vysoce kvalitní křemíkovou destičkou jako základem pro CMOS čip.
• Vytvořit n-well a p-well oblasti, kde budou vznikat tranzistory NMOS a PMOS.
• Vytvořit nebo nanést tenkou vrstvu gate oxidu na povrch waferu.
• Nanesení a vzorování materiálu hradel pro vytvoření tranzistorových hradl.
• Implantovat zdrojové a drenážní oblasti správnými dopanty pro tranzistory NMOS a PMOS.
• Postavte izolační struktury, aby se blízké tranzistory navzájem neovlivňovaly.
• Izolační vrstvy a kovové vrstvy pro propojení tranzistorů s funkčními obvody.
• Přidat více kovových vrstev a malých vertikálních článků nazývaných průchody pro směrování signálů přes čip.
• Dokončit vrstvami ochranné pasivace, poté rozřezat plátek na samostatné čipy, zabalit je a otestovat.
Škálování technologií v CMOS
Postupem času se technologie CMOS posunula od mikrometrových prvků k nanometrovým prvkům. Jak tranzistory zmenšují, více z nich se vejde na stejnou plochu čipu. Menší tranzistory také mohou přepínat rychleji a často běžet při nižších napájecích napětích, což zlepšuje výkon a zároveň snižuje energii na jednu operaci. Ale zmenšování CMOS zařízení přináší také výzvy:
• Velmi malé tranzistory mohou unikat více proudu, což zvyšuje pohotovostní výkon.
• Krátkokanálové efekty ztěžují ovládání tranzistorů.
• Změny procesu způsobují, že parametry tranzistoru se mezi jednotlivými zařízeními více liší.
K řešení těchto problémů se používají novější tranzistorové struktury, jako jsou FinFETy a zařízení typu gate-all-around, spolu s pokročilejšími procesními kroky a přísnějšími návrhovými pravidly v moderní CMOS technologii.
Typy spotřeby energie v CMOS obvodech
| Typ výkonu | Když se to stane | Hlavní příčina | Jednoduchý efekt |
|---|---|---|---|
| Dynamická moc | Když se návěstidla přepínají mezi 0 a 1 | Nabíjení a vybíjení malých kondenzátorů | Zvyšuje se s tím, jak se střídání a hodiny zvyšují |
| Zkratové napájení | Na krátkou dobu, zatímco se brána přepíná | NMOS a PMOS jsou částečně v provozu společně | Dodatečná energie použitá při změnách |
| Úniková síla | I když se signály nepřepínají | Malý proud protéká tranzistory | Stává se základním při velmi malých velikostech |
Mechanismy selhání v technologii CMOS
CMOS zařízení mohou selhat kvůli zasunutí, poškození ESD, dlouhodobému stárnutí a opotřebení kovových propojení. Latch-up nastává, když se zapnou parazitní PNPN cesty uvnitř čipu a vytvoří nízkorezomerní spojení mezi VCC a zemí; silné kontakty v vrtu, ochranné kroužky a dostatečné rozestupy pomáhají potlačit tuto teplotu. ESD (elektrostatický výboj) může prorazit tenké hradlové oxidy a spoje, když na piny zasáhnou rychlé napěťové špičky, proto I/O podložky obvykle obsahují speciální svorky a diodové ochranné sítě. V průběhu času BTI a vstřikování horkých nosičů mění parametry tranzistorů a nadměrná hustota proudu může spustit elektromigraci, která oslabuje nebo přerušuje kovové linky.
Digitální stavební kameny v CMOS technologii
• Základní logická hradla, jako jsou invertory, NAND, NOR a XOR, jsou postavena z CMOS tranzistorů.
• Sekvenční prvky jako západky a klopné obvody uchovávají a aktualizují bity digitálních dat.
• Bloky datových cest, včetně sčítačů, multiplexerů, posuvníků a čítačů, vznikají kombinací mnoha CMOS hradel.
• Paměťové bloky, jako jsou SRAM buňky, jsou seskupeny do polí pro malé úložiště na čipu.
• Standardní buňky jsou předem navržené CMOS logické bloky, které digitální nástroje znovu používají napříč čipem.
• Velké digitální systémy, včetně CPU, řadičů a vlastních akcelerátorů, jsou vytvářeny propojením mnoha standardních buněk a paměťových bloků v CMOS technologii.
Analogové a RF obvody v CMOS technologii
CMOS technologie není omezena pouze na digitální logiku. Lze jej také použít k vytvoření analogových obvodů, které pracují s kontinuálními signály:
• Bloky jako zesilovače, komparátory a napěťové reference jsou vyrobeny z CMOS tranzistorů a pasivních součástek.
• Tyto obvody pomáhají snímat, tvarovat a řídit signály před nebo po digitálním zpracování.
CMOS může také podporovat RF (rádiofrekvenční) obvody:
• Nízkošumové zesilovače, mixážní pulty a oscilátory lze implementovat ve stejném CMOS procesu jako digitální logika.
• Když jsou analogové, RF a digitální bloky spojeny na jednom čipu, technologie CMOS umožňuje řešení systému na čipu s kombinovaným signálem nebo RF, která zvládají jak zpracování signálu, tak komunikaci na jednom čipu.
Aplikace CMOS technologie
| Oblast aplikace | Hlavní role CMOS | Příklady zařízení |
|---|---|---|
| Procesory | Digitální logika a řízení | Aplikační procesory, mikrokontroléry |
| Paměť | Ukládání dat pomocí SRAM, flash a dalších | Cache paměť, vestavěná flash |
| Obrazové senzory | Aktivní pixelová pole a čtecí obvody | Fotoaparáty chytrých telefonů, webkamery |
| Analogová rozhraní | Zesilovače, ADC a DAC | Rozhraní senzorů, audio kodeky |
| RF a bezdrátové | RF front-endy a lokální oscilátory | Wi-Fi, Bluetooth, mobilní transceivery |
Závěr
CMOS podporuje vysokou hustotu tranzistorů, nízký statický výkon a rychlé spínání v moderních integrovaných obvodech. Staví logická hradla, paměťové bloky a velké digitální systémy, přičemž zároveň podporuje analogové a RF obvody na stejném čipu. Jak škálování pokračuje, dochází k většímu úniku, efektům krátkého kanálu a variabilitě zařízení, proto se používají novější struktury jako FinFETy a gate-all-around.
Často kladené otázky [FAQ]
Jaký je rozdíl mezi n-well, p-well a twin-well CMOS?
n-jáma staví PMOS v n-jamkách, p-jáma buduje NMOS v p-jamkách a dvojitá jáma využívá obojí pro lepší kontrolu chování tranzistorů.
Proč CMOS čipy používají více kovových vrstev?
Pro propojení více signálů, snížení přetížení směrování a zlepšení efektivity zapojení napříč čipem.
Jaký je tělesný efekt v CMOS tranzistoru?
Jedná se o změnu prahového napětí způsobenou rozdílem napětí mezi zdrojem a tělesem tranzistoru.
Co jsou odpojovací kondenzátory v CMOS čipech?
Stabilizují napájecí zdroj tím, že snižují poklesy napětí a šum při spínání.
Proč CMOS potřebuje stínění a ochranné kroužky?
Snížit šumovou vazbu a zabránit rušení mezi citlivými a šumovými oblastmi obvodu.
Jak se SRAM liší od DRAM a flash v CMOS?
SRAM je rychlá, ale větší, DRAM je hustší, ale vyžaduje obnovu, a flash uchovává data i bez napájení.