CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) je glavna tehnologija, ki se uporablja v sodobnih čipih, saj uporablja NMOS in PMOS tranzistorje skupaj za zmanjšanje izgube energije. Podpira digitalna, analogna in mešana signalna vezja v procesorjih, pomnilniku, senzorjih in brezžičnih napravah. Ta članek ponuja informacije o delovanju CMOS, korakih izdelave, skaliranju, porabi energije, zanesljivosti in aplikacijah.
Osnove CMOS tehnologije
Komplementarna kovinsko-oksidno-polprevodniška tehnologija (CMOS) je glavna tehnologija, ki se uporablja za gradnjo sodobnih integriranih vezij. Uporablja dve vrsti tranzistorjev, NMOS (n-kanalni MOSFET) in PMOS (p-kanalni MOSFET), ki sta razporejeni tako, da je eden vklopljen, drugi izklopljen. Ta dopolnilni ukrep pomaga zmanjšati izgubo energije med normalnim delovanjem.
CMOS omogoča namestitev zelo velikega števila tranzistorjev na majhen kos silicija, hkrati pa ohranja porabo energije in toploto na obvladljivih ravneh. Zaradi tega se CMOS tehnologija uporablja v digitalnih, analognih in mešanih signalnih vezjih v številnih sodobnih elektronskih sistemih, od procesorjev in pomnilnika do senzorjev in brezžičnih čipov.
MOSFET naprave kot jedro CMOS tehnologije
V CMOS tehnologiji je MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) osnovno elektronsko stikalo. Zgrajen je na silicijevi rezini in ima štiri glavne dele: vir, odtok, vrata in kanal med virom in odtokom. Vrata ležijo na zelo tanki izolacijski plasti, imenovani oksid vrat, ki jih ločuje od kanala.
Ko se na vrata privede napetost, se naboj v kanalu spremeni. To omogoča tok med virom in odtokom ali pa ga ustavi. V NMOS tranzistorju tok prenašajo elektroni. V PMOS tranzistorju tok prenašajo luknje. Z oblikovanjem NMOS in PMOS tranzistorjev v različnih regijah, imenovanih jami, lahko CMOS tehnologija postavi obe vrsti tranzistorjev na isti čip.
CMOS logično delovanje v digitalnih vezjih
• CMOS logika uporablja pare NMOS in PMOS tranzistorjev za izdelavo osnovnih logičnih vrat.
• Najpreprostejše CMOS vrata so inverter, ki preklopijo signal: ko je vhod 0, je izhod 1; ko je vhod 1, je izhod 0.
• V CMOS inverterju PMOS tranzistor poveže izhod s pozitivnim napajanjem, ko je vhod nizek.
• NMOS tranzistor poveže izhod z maso, ko je vhod visok.
• Pri normalnem delovanju je hkrati vklopljena le ena pot (bodisi do napajanja ali do ozemljitev), zato je statična poraba moči zelo nizka.
• Bolj zapletena CMOS vrata, kot sta NAND in NOR, nastanejo z vzpostavitvijo več NMOS in PMOS tranzistorjev v seriji in vzporednici.
CMOS vs NMOS vs TTL: primerjava logičnih družin
| Značilnost | CMOS | NMOS | TTL (bipolarna motnja) |
|---|---|---|---|
| Statična moč (v mirovanju) | Zelo nizka | Zmerno | Visoko |
| Dinamična moč | Nizko za isto funkcijo | Višje | Visoko pri visoki hitrosti |
| Območje napetosti napajanja | Dobro deluje pri nizkih napetostih | Bolj omejeno | Pogosto fiksno okoli 5 V |
| Gostota integracije | Zelo visoko | Spodnji | Nizko v primerjavi s CMOS |
| Običajna raba danes | Glavna izbira v sodobnih čipih | Večinoma starejša ali posebna vezja | Večinoma starejša ali posebna vezja |
Postopek izdelave CMOS čipov
• Začnite s čistim, visokokakovostnim silicijevim rezino kot osnovo za CMOS čip.
• Oblikovati območja n-well in p-well, kjer bodo izdelani tranzistorji NMOS in PMOS.
• Na površino rezine vzgoji ali nanese tanko plast oksida vrat.
• Nanesi in vzorči material vrat za izdelavo tranzistorskih vrat.
• Vsaditi izvorne in drenažne regije s pravilnimi dopanti za NMOS in PMOS tranzistorje.
• Zgraditi izolacijske strukture, da bližnji tranzistorji ne vplivajo drug na drugega.
• Izolacijske plasti in kovinske plasti za povezovanje tranzistorjev z delujočimi vezji.
• Dodajte več kovinskih plasti in majhne navpične povezave, imenovane vias, za usmerjanje signalov čez čip.
• Zaključite z zaščitnimi plastmi pasivacije, nato rezino razrežite na ločene odlomke, jih zapakirate in testirajte.
Tehnološko skaliranje v CMOS
Sčasoma se je CMOS tehnologija premaknila od mikrometrskih funkcij do nanometrskih funkcij. Ko tranzistorji postajajo manjši, jih lahko več pride na isto območje čipa. Manjši tranzistorji lahko prav tako preklapljajo hitreje in pogosto delujejo pri nižjih napajalnih napetostih, kar izboljša zmogljivost in hkrati zmanjša porabo energije na operacijo. A zmanjševanje CMOS naprav prinaša tudi izzive:
• Zelo majhni tranzistorji lahko uhajajo več toka, kar poveča moč v stanju pripravljenosti.
• Kratkokanalni učinki otežujejo nadzor tranzistorjev.
• Spremembe procesov povzročijo, da se parametri tranzistorja med napravami bolj razlikujejo.
Za reševanje teh težav se uporabljajo novejše tranzistorske strukture, kot so FinFET-i in gate-all-around naprave, skupaj z naprednejšimi procesnimi koraki in strožjimi oblikovalskimi pravili v sodobni CMOS tehnologiji.
Vrste porabe energije v CMOS vezjih
| Tip moči | Ko se to zgodi | Glavni vzrok | Preprost učinek |
|---|---|---|---|
| Dinamična moč | Ko se signali preklapljajo med 0 in 1 | Polnjenje in praznjenje majhnih kondenzatorjev | Poveča se, ko se preklapljanje in ura povečuje |
| Kratki stik | Za kratek čas, medtem ko se vrata preklapljajo | NMOS in PMOS delujeta delno skupaj | Dodatna moč, uporabljena med menjavami |
| Moč uhajanja | Tudi ko signali ne preklapljajo | Majhen tok, ki teče skozi tranzistorje | Postane osnovni pri zelo majhnih velikostih |
Mehanizmi okvar v CMOS tehnologiji
CMOS naprave lahko odpovejo zaradi zaklepanja, poškodb zaradi ESD, dolgotrajnega staranja in obrabe kovinskih povezav. Latch-up nastane, ko se parazitske PNPN poti znotraj čipa vklopijo in ustvarijo nizko upornost povezave med VCC in ozemljitvijo; Močni stiki z vrtinami, zaščitni obroči in ustrezna razporeditev postavitve pomagajo jo zatreti. ESD (elektrostatični izpust) lahko prebije tanke okside vrat in spoje, ko hitri napetostni sunki zadenejo zatiče, zato vhodno-izhodne ploščice običajno vključujejo namenske sponke in zaščitna omrežja na osnovi diod. Sčasoma BTI in vbrizgavanje vročih nosilcev spremenita parametre tranzistorjev, prevelika gostota toka pa lahko sproži elektromigracijo, ki oslabi ali pretrga kovinske linije.
Digitalni gradniki v CMOS tehnologiji
• Osnovna logična vrata, kot so pretvorniki, NAND, NOR in XOR, so zgrajena iz CMOS tranzistorjev.
• Zaporedni elementi, kot so zaponke in flip-flopi, zadržujejo in posodabljajo bite digitalnih podatkov.
• Bloki podatkovnih poti, vključno s seštevalniki, multiplekserji, premikalniki in števci, nastanejo z združitvijo več CMOS vrat.
• Pomnilniški bloki, kot so SRAM celice, so združeni v polja za majhno shranjevanje na čipu.
• Standardne celice so vnaprej zasnovani CMOS logični bloki, ki jih digitalna orodja ponovno uporabljajo na čipu.
• Veliki digitalni sistemi, vključno s CPU-ji, krmilniki in prilagojenimi pospeševalniki, nastanejo z združevanjem številnih standardnih celic in pomnilniških blokov v CMOS tehnologiji.
Analogna in RF vezja v CMOS tehnologiji
CMOS tehnologija ni omejena le na digitalno logiko. Uporablja se lahko tudi za izdelavo analognih vezij, ki delujejo s kontinuiranimi signali:
• Bloki, kot so ojačevalci, primerjalniki in napetostne reference, so narejeni iz CMOS tranzistorjev in pasivnih komponent.
• Ta vezja pomagajo zaznavati, oblikovati in nadzorovati signale pred ali po digitalni obdelavi.
CMOS lahko podpira tudi RF (radijskofrekvenčna) vezja:
• Nizkošumni ojačevalci, mešalniki in oscilatorji so lahko implementirani v istem CMOS procesu kot digitalna logika.
• Ko so analogni, RF in digitalni bloki združeni na enem čipu, CMOS tehnologija omogoča rešitve z mešanimi signali ali RF sistemi na čipu, ki obvladujejo tako obdelavo signalov kot komunikacijo na enem čipu.
Uporaba CMOS tehnologije
| Področje uporabe | Glavna vloga CMOS | Primeri naprav |
|---|---|---|
| Procesorji | Digitalna logika in krmiljenje | Aplikacijski procesorji, mikrokrmilniki |
| Spomin | Shranjevanje podatkov z uporabo SRAM, flash in drugih | Predpomnilnik, vgrajeni flash |
| Slikovni senzorji | Aktivni slikovni nizi in vezja za branje | Kamere na pametnih telefonih, spletne kamere |
| Analogni vmesniki | Ojačevalci, ADC-ji in DAC-ji | Vmesniki senzorjev, avdio kodeci |
| RF in brezžično | RF front-endi in lokalni oscilatorji | Wi-Fi, Bluetooth, mobilni oddajniki |
Zaključek
CMOS podpira visoko gostoto tranzistorjev, nizko statično moč in hitro preklapljanje v sodobnih integriranih vezjih. Gradi logična vrata, pomnilniške bloke in velike digitalne sisteme, hkrati pa podpira analogna in RF vezja na istem čipu. Ko se skaliranje nadaljuje, se povečuje puščanje, kratki kanali in raznolikost naprav, zato se uporabljajo novejše strukture, kot so FinFET-i in gate-all-around.
Pogosta vprašanja [FAQ]
Kakšna je razlika med n-well, p-well in twin-well CMOS?
n-well gradi PMOS v n-jamicah, p-well gradi NMOS v p-jamicah, dvojna jama pa uporablja oba za boljši nadzor obnašanja tranzistorjev.
Zakaj CMOS čipi uporabljajo več kovinskih plasti?
Za povezovanje več signalov, zmanjšanje zastojev pri usmerjanju in izboljšanje učinkovitosti ožičenja po celotnem čipu.
Kakšen je učinek telesa v CMOS tranzistorju?
Gre za spremembo pragovne napetosti, ki jo povzroči napetostna razlika med virom in telesom tranzistorja.
Kaj so decoupling kondenzatorji v CMOS čipih?
Stabilizirajo napajalnik z zmanjšanjem padcev napetosti in šuma med preklapljanjem.
Zakaj CMOS potrebuje zaščito in zaščitne obroče?
Da bi zmanjšali šumno sklopitev in preprečili motnje med občutljivimi in hrupnimi območji vezij.
Kako se SRAM razlikuje od DRAM-a in flash v CMOS-u?
SRAM je hiter, a večji, DRAM je gostejši, a potrebuje osveževanje, flash pa hrani podatke tudi brez napajanja.