Το CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) είναι η κύρια τεχνολογία που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα τσιπ επειδή χρησιμοποιεί τρανζίστορ NMOS και PMOS μαζί για τη μείωση της σπατάλης ενέργειας. Υποστηρίζει κυκλώματα ψηφιακού, αναλογικού και μικτού σήματος σε επεξεργαστές, μνήμη, αισθητήρες και ασύρματες συσκευές. Αυτό το άρθρο παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία CMOS, τα βήματα κατασκευής, την κλιμάκωση, τη χρήση ενέργειας, την αξιοπιστία και τις εφαρμογές.
Γ1. Βασικά στοιχεία τεχνολογίας CMOS
Γ2. Οι συσκευές MOSFET ως ο πυρήνας της τεχνολογίας CMOS
Γ3. Λογική λειτουργία CMOS σε ψηφιακά κυκλώματα
Γ4. CMOS vs NMOS vs TTL: Σύγκριση οικογένειας λογικής
Γ5. Διαδικασία κατασκευής τσιπ CMOS
Γ6. Κλιμάκωση τεχνολογίας στο CMOS
Γ7. Τύποι κατανάλωσης ενέργειας σε κυκλώματα CMOS
Γ8. Μηχανισμοί αστοχίας στην τεχνολογία CMOS
Γ9. Ψηφιακά δομικά στοιχεία στην τεχνολογία CMOS
Γ10. Αναλογικά και RF κυκλώματα στην τεχνολογία CMOS
Γ11. Εφαρμογές της τεχνολογίας CMOS
Γ12. Συμπέρασμα
Γ13. Συχνές ερωτήσεις [FAQ]
Βασικά στοιχεία τεχνολογίας CMOS
Το συμπληρωματικό μέταλλο-οξείδιο-ημιαγωγός (CMOS) είναι η κύρια τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την κατασκευή σύγχρονων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Χρησιμοποιεί δύο τύπους τρανζίστορ, το NMOS (n-channel MOSFET) και το PMOS (p-channel MOSFET), διατεταγμένα έτσι ώστε όταν το ένα είναι ενεργοποιημένο, το άλλο είναι απενεργοποιημένο. Αυτή η συμπληρωματική δράση βοηθά στη μείωση της σπατάλης ενέργειας κατά την κανονική λειτουργία.
Το CMOS καθιστά δυνατή την τοποθέτηση ενός πολύ μεγάλου αριθμού τρανζίστορ σε ένα μικρό κομμάτι πυριτίου, διατηρώντας παράλληλα τη χρήση ενέργειας και τη θερμότητα σε διαχειρίσιμα επίπεδα. Εξαιτίας αυτού, η τεχνολογία CMOS χρησιμοποιείται σε ψηφιακά, αναλογικά και μικτά κυκλώματα σήματος σε πολλά σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα, από επεξεργαστές και μνήμη έως αισθητήρες και ασύρματα τσιπ.
Οι συσκευές MOSFET ως ο πυρήνας της τεχνολογίας CMOS
Στην τεχνολογία CMOS, το MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) είναι ο βασικός ηλεκτρονικός διακόπτης. Είναι χτισμένο σε γκοφρέτα πυριτίου και έχει τέσσερα κύρια μέρη: την πηγή, την αποχέτευση, την πύλη και το κανάλι μεταξύ πηγής και αποστράγγισης. Η πύλη βρίσκεται πάνω από ένα πολύ λεπτό μονωτικό στρώμα που ονομάζεται οξείδιο της πύλης, το οποίο τη χωρίζει από το κανάλι.
Όταν εφαρμόζεται τάση στην πύλη, αλλάζει το φορτίο στο κανάλι. Αυτό είτε επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης είτε το σταματά. Σε ένα τρανζίστορ NMOS, το ρεύμα μεταφέρεται από ηλεκτρόνια. Σε ένα τρανζίστορ PMOS, το ρεύμα μεταφέρεται από οπές. Σχηματίζοντας τρανζίστορ NMOS και PMOS σε διαφορετικές περιοχές που ονομάζονται φρεάτια, η τεχνολογία CMOS μπορεί να τοποθετήσει και τους δύο τύπους τρανζίστορ στο ίδιο τσιπ.
Λογική λειτουργία CMOS σε ψηφιακά κυκλώματα
• Η λογική CMOS χρησιμοποιεί ζεύγη τρανζίστορ NMOS και PMOS για την κατασκευή βασικών λογικών πυλών.
• Η απλούστερη πύλη CMOS είναι ο μετατροπέας, ο οποίος αναστρέφει το σήμα: όταν η είσοδος είναι 0, η έξοδος είναι 1. όταν η είσοδος είναι 1, η έξοδος είναι 0.
• Σε έναν μετατροπέα CMOS, το τρανζίστορ PMOS συνδέει την έξοδο με τη θετική παροχή όταν η είσοδος είναι χαμηλή.
• Το τρανζίστορ NMOS συνδέει την έξοδο με τη γείωση όταν η είσοδος είναι υψηλή.
• Σε κανονική λειτουργία, μόνο μία διαδρομή (είτε προς την τροφοδοσία είτε προς τη γείωση) είναι ενεργοποιημένη κάθε φορά, επομένως η χρήση στατικής ισχύος παραμένει πολύ χαμηλή.
• Πιο σύνθετες πύλες CMOS, όπως NAND και NOR, δημιουργούνται συνδέοντας πολλαπλά τρανζίστορ NMOS και PMOS σε σειρά και παράλληλα.
CMOS vs NMOS vs TTL: Σύγκριση λογικής οικογένειας
| Χαρακτηριστικό | ΚΟΑ | ΝΜΟΣ | TTL (Διπολικό) |
|---|---|---|---|
| Στατική ισχύς (σε αδράνεια) | Πολύ χαμηλό | Μέτρια | Υψηλή |
| Δυναμική ισχύς | Χαμηλή για την ίδια λειτουργία | Υψηλότερη | Υψηλή ταχύτητα |
| Εύρος τάσης τροφοδοσίας | Λειτουργεί καλά σε χαμηλές τάσεις | Πιο περιορισμένη | Συχνά στερεώνεται γύρω στα 5 V |
| Πυκνότητα ολοκλήρωσης | Πολύ υψηλή | Κάτω | Χαμηλό σε σύγκριση με το CMOS |
| Τυπική χρήση σήμερα | Κύρια επιλογή στα σύγχρονα τσιπ | Κυρίως παλαιότερα ή ειδικά κυκλώματα | Κυρίως παλαιότερα ή ειδικά κυκλώματα |
Διαδικασία κατασκευής τσιπ CMOS
• Ξεκινήστε με μια καθαρή, υψηλής ποιότητας γκοφρέτα πυριτίου ως βάση για το τσιπ CMOS.
• Σχηματίστε περιοχές n-well και p-well όπου θα κατασκευαστούν τα τρανζίστορ NMOS και PMOS.
• Αναπτύξτε ή εναποθέστε ένα λεπτό στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια της γκοφρέτας.
• Εναποθέστε και σχεδιάστε το υλικό της πύλης για να δημιουργήσετε τις πύλες τρανζίστορ.
• Εμφυτεύστε τις περιοχές πηγής και αποστράγγισης με τις σωστές προσμίξεις για τρανζίστορ NMOS και PMOS.
• Κατασκευάστε δομές απομόνωσης έτσι ώστε τα κοντινά τρανζίστορ να μην επηρεάζουν το ένα το άλλο.
• Εναποθέστε μονωτικά στρώματα και μεταλλικά στρώματα για να συνδέσετε τρανζίστορ σε κυκλώματα εργασίας.
• Προσθέστε περισσότερα μεταλλικά στρώματα και μικρούς κάθετους συνδέσμους που ονομάζονται vias για τη δρομολόγηση σημάτων σε όλο το τσιπ.
• Ολοκληρώστε με προστατευτικά στρώματα παθητικοποίησης, στη συνέχεια κόψτε τη γκοφρέτα σε ξεχωριστά τσιπ, συσκευάστε τα και δοκιμάστε τα.
Κλιμάκωση τεχνολογίας στο CMOS
Με την πάροδο του χρόνου, η τεχνολογία CMOS έχει μετακινηθεί από χαρακτηριστικά μεγέθους μικρομέτρου σε χαρακτηριστικά μεγέθους νανομέτρων. Καθώς τα τρανζίστορ γίνονται μικρότερα, περισσότερα από αυτά μπορούν να χωρέσουν στην ίδια περιοχή τσιπ. Τα μικρότερα τρανζίστορ μπορούν επίσης να αλλάζουν πιο γρήγορα και συχνά μπορούν να λειτουργούν σε χαμηλότερες τάσεις τροφοδοσίας, γεγονός που βελτιώνει την απόδοση ενώ μειώνει την ενέργεια ανά λειτουργία. Αλλά η συρρίκνωση των συσκευών CMOS φέρνει επίσης προκλήσεις:
• Τα πολύ μικρά τρανζίστορ μπορούν να διαρρεύσουν περισσότερο ρεύμα, αυξάνοντας την ισχύ αναμονής.
• Τα εφέ βραχέων καναλιών κάνουν τα τρανζίστορ πιο δύσκολο να ελεγχθούν.
• Οι παραλλαγές της διαδικασίας προκαλούν μεγαλύτερη διαφοροποίηση των παραμέτρων του τρανζίστορ από τη μια συσκευή στην άλλη.
Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, χρησιμοποιούνται νεότερες δομές τρανζίστορ, όπως FinFET και συσκευές πύλης, μαζί με πιο προηγμένα βήματα διαδικασίας και αυστηρότερους κανόνες σχεδιασμού στη σύγχρονη τεχνολογία CMOS.
Τύποι κατανάλωσης ενέργειας σε κυκλώματα CMOS
| Τύπος ισχύος | Όταν συμβαίνει | Κύρια αιτία | Απλό εφέ |
|---|---|---|---|
| Δυναμική ισχύς | Όταν τα σήματα αλλάζουν μεταξύ 0 και 1 | Φόρτιση και εκφόρτιση μικροσκοπικών πυκνωτών | Αυξάνεται καθώς η εναλλαγή και το ρολόι ανεβαίνουν |
| Ισχύς βραχυκυκλώματος | Για μικρό χρονικό διάστημα, ενώ μια πύλη αλλάζει | Το NMOS και το PMOS είναι εν μέρει μαζί | Επιπλέον ισχύς που χρησιμοποιείται κατά τις αλλαγές |
| Ισχύς διαρροής | Ακόμα και όταν τα σήματα δεν αλλάζουν | Μικρό ρεύμα που διαρρέει τα τρανζίστορ | Γίνεται βασικό σε πολύ μικρά μεγέθη |
Μηχανισμοί αστοχίας στην τεχνολογία CMOS
Οι συσκευές CMOS μπορεί να αποτύχουν λόγω μανδάλωσης, ζημιάς ESD, μακροχρόνιας γήρανσης και φθοράς της μεταλλικής διασύνδεσης. Το μάνδαλο συμβαίνει όταν ενεργοποιούνται παρασιτικές διαδρομές PNPN μέσα στο τσιπ και δημιουργούν μια σύνδεση χαμηλής αντίστασης μεταξύ VCC και γείωσης. Οι ισχυρές επαφές φρεατίων, οι δακτύλιοι προστασίας και η επαρκής απόσταση διάταξης βοηθούν στην καταστολή του. Το ESD (ηλεκτροστατική εκφόρτιση) μπορεί να διαπεράσει τα οξείδια και τις διασταυρώσεις λεπτής πύλης όταν οι γρήγορες αιχμές τάσης χτυπούν τις ακίδες, επομένως τα τακάκια I/O συνήθως περιλαμβάνουν αποκλειστικούς σφιγκτήρες και δίκτυα προστασίας που βασίζονται σε διόδους. Με την πάροδο του χρόνου, οι παράμετροι του τρανζίστορ μετατόπισης μετατόπισης ΔΔΠ και θερμού φορέα και η υπερβολική πυκνότητα ρεύματος μπορούν να προκαλέσουν ηλεκτρομετανάστευση που αποδυναμώνει ή σπάει τις μεταλλικές γραμμές.
Ψηφιακά δομικά στοιχεία στην τεχνολογία CMOS
• Οι βασικές λογικές πύλες όπως οι μετατροπείς, NAND, NOR και XOR είναι κατασκευασμένες από τρανζίστορ CMOS.
• Διαδοχικά στοιχεία όπως μάνδαλα και σαγιονάρες συγκρατούν και ενημερώνουν κομμάτια ψηφιακών δεδομένων.
• Τα μπλοκ διαδρομής δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων των αθροιστών, των πολυπλέκτη, των μετατοπιστών και των μετρητών, σχηματίζονται συνδυάζοντας πολλές πύλες CMOS.
• Τα μπλοκ μνήμης όπως τα κελιά SRAM ομαδοποιούνται σε συστοιχίες για μικρή αποθήκευση στο τσιπ.
• Τα τυπικά κελιά είναι προσχεδιασμένα λογικά μπλοκ CMOS που τα ψηφιακά εργαλεία επαναχρησιμοποιούν σε ένα τσιπ.
• Μεγάλα ψηφιακά συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των CPU, των ελεγκτών και των προσαρμοσμένων επιταχυντών, δημιουργούνται συνδέοντας πολλά τυπικά κελιά και μπλοκ μνήμης μεταξύ τους στην τεχνολογία CMOS.
Αναλογικά κυκλώματα και κυκλώματα RF στην τεχνολογία CMOS
Η τεχνολογία CMOS δεν περιορίζεται στην ψηφιακή λογική. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αναλογικών κυκλωμάτων που λειτουργούν με συνεχή σήματα:
• Μπλοκ όπως ενισχυτές, συγκριτές και αναφορές τάσης κατασκευάζονται από τρανζίστορ CMOS και παθητικά εξαρτήματα.
• Αυτά τα κυκλώματα βοηθούν στην ανίχνευση, τη διαμόρφωση και τον έλεγχο των σημάτων πριν ή μετά την ψηφιακή επεξεργασία.
Το CMOS μπορεί επίσης να υποστηρίξει κυκλώματα RF (ραδιοσυχνοτήτων):
• Οι ενισχυτές, οι μίκτες και οι ταλαντωτές χαμηλού θορύβου μπορούν να υλοποιηθούν με την ίδια διαδικασία CMOS που χρησιμοποιείται για την ψηφιακή λογική.
• Όταν αναλογικά, RF και ψηφιακά μπλοκ συνδυάζονται σε ένα τσιπ, η τεχνολογία CMOS επιτρέπει λύσεις μικτού σήματος ή RF system-on-chip που χειρίζονται τόσο την επεξεργασία σήματος όσο και την επικοινωνία σε ένα μόνο καλούπι.
Εφαρμογές Τεχνολογίας CMOS
| Περιοχή εφαρμογής | Κύριος ρόλος CMOS | Παραδείγματα συσκευών |
|---|---|---|
| Επεξεργαστές | Ψηφιακή λογική και έλεγχος | Επεξεργαστές εφαρμογών, μικροελεγκτές |
| Μνήμη | Αποθήκευση δεδομένων με χρήση SRAM, flash και άλλων | Προσωρινή μνήμη, ενσωματωμένο flash |
| Αισθητήρες εικόνας | Ενεργές συστοιχίες pixel και κυκλώματα ανάγνωσης | Κάμερες smartphone, κάμερες web |
| Αναλογικές διεπαφές | Ενισχυτές, ADC και DAC | Διεπαφές αισθητήρων, κωδικοποιητές ήχου |
| RF και ασύρματο | RF front-end και τοπικοί ταλαντωτές | Wi-Fi, Bluetooth, πομποδέκτες κινητής τηλεφωνίας |
Συμπέρασμα
Το CMOS υποστηρίζει υψηλή πυκνότητα τρανζίστορ, χαμηλή στατική ισχύ και γρήγορη εναλλαγή σε σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Κατασκευάζει λογικές πύλες, μπλοκ μνήμης και μεγάλα ψηφιακά συστήματα, ενώ υποστηρίζει επίσης αναλογικά κυκλώματα και κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων στο ίδιο τσιπ. Καθώς η κλιμάκωση συνεχίζεται, η διαρροή, τα εφέ βραχέων καναλιών και η παραλλαγή της συσκευής αυξάνονται, επομένως χρησιμοποιούνται νεότερες δομές όπως τα FinFET και το gate-all-around.
Συχνές ερωτήσεις [FAQ]
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ n-well, p-well και twin-well CMOS;
Το n-well δημιουργεί PMOS σε n-wells, το p-well δημιουργεί NMOS σε p-wells και το twin-well χρησιμοποιεί και τα δύο για καλύτερο έλεγχο της συμπεριφοράς του τρανζίστορ.
Γιατί τα τσιπ CMOS χρησιμοποιούν πολλαπλά μεταλλικά στρώματα;
Για να συνδέσετε περισσότερα σήματα, να μειώσετε τη συμφόρηση δρομολόγησης και να βελτιώσετε την απόδοση της καλωδίωσης σε όλο το τσιπ.
Ποια είναι η επίδραση του σώματος σε ένα τρανζίστορ CMOS;
Είναι μια αλλαγή στην τάση κατωφλίου που προκαλείται από μια διαφορά τάσης μεταξύ της πηγής και του σώματος του τρανζίστορ.
Τι είναι οι πυκνωτές αποσύνδεσης στα τσιπ CMOS;
Σταθεροποιούν την παροχή ρεύματος μειώνοντας τις πτώσεις τάσης και τον θόρυβο κατά την εναλλαγή.
Γιατί το CMOS χρειάζεται θωράκιση και προστατευτικούς δακτυλίους;
Για τη μείωση της σύζευξης θορύβου και την αποφυγή παρεμβολών μεταξύ ευαίσθητων και θορυβωδών περιοχών κυκλώματος.
Σε τι διαφέρει η SRAM από τη DRAM και το flash στο CMOS;
Η SRAM είναι γρήγορη αλλά μεγαλύτερη σε μέγεθος, η DRAM είναι πιο πυκνή αλλά χρειάζεται ανανέωση και το φλας διατηρεί τα δεδομένα ακόμα και χωρίς ρεύμα.