CMOS (komplementarni metal-oksid-poluprovodnik) je glavna tehnologija koja se koristi u modernim čipovima jer koristi NMOS i PMOS tranzistore zajedno kako bi smanjila izgubljenu snagu. Podržava digitalne, analogne i mešovite signalne krugove u procesorima, memoriji, senzorima i bežičnim uređajima. Ovaj članak pruža informacije o CMOS radu, koracima izrade, skaliranju, potrošnji energije, pouzdanosti i aplikacijama.
KSNUMKS. Osnove CMOS tehnologije
Komplementarni metal-oksid-poluprovodnik (CMOS) je glavna tehnologija koja se koristi za izgradnju modernih integrisanih kola. Koristi dve vrste tranzistora, NMOS (n-kanalni MOSFET) i PMOS (p-kanalni MOSFET), raspoređeni tako da kada je jedan uključen, drugi je isključen. Ova komplementarna akcija pomaže u smanjenju izgubljene energije tokom normalnog rada.
CMOS omogućava postavljanje veoma velikog broja tranzistora na mali komad silicijuma uz zadržavanje potrošnje energije i toplote na podnošljivim nivoima. Zbog toga se CMOS tehnologija koristi u digitalnim, analognim i mešovitim signalnim krugovima u mnogim modernim elektronskim sistemima, od procesora i memorije do senzora i bežičnih čipova.
MOSFET uređaji kao jezgro CMOS tehnologije
U CMOS tehnologiji, MOSFET (Metal-Oksid-Semiconductor Field-Effect Transistor) je osnovni elektronski prekidač. Izgrađen je na silikonskoj pločici i ima četiri glavna dela: izvor, odvod, kapiju i kanal između izvora i odvoda. Kapija se nalazi na vrhu veoma tankog izolacionog sloja koji se zove kapija oksid, koji ga odvaja od kanala.
Kada se napon primenjuje na kapiju, ona menja naboj u kanalu. Ovo ili omogućava struju da teče između izvora i odvoda ili ga zaustavlja. U NMOS tranzistoru, struja se prenosi elektronima. U PMOS tranzistoru, struja se prenosi rupama. Formiranjem NMOS i PMOS tranzistora u različitim regionima koji se nazivaju bunari, CMOS tehnologija može postaviti obe vrste tranzistora na isti čip.
CMOS logička operacija u digitalnim kolima
• CMOS logika koristi parove NMOS i PMOS tranzistora za izgradnju osnovnih logičkih vrata.
• Najjednostavnija CMOS kapija je pretvarač, koji okreće signal: kada je ulaz 0, izlaz je 1; kada je ulaz 1, izlaz je 0.
• U CMOS pretvaraču, PMOS tranzistor povezuje izlaz sa pozitivnim napajanjem kada je ulaz nizak.
• NMOS tranzistor povezuje izlaz sa zemljom kada je ulaz visok.
• U normalnom radu, samo jedan put (bilo do napajanja ili do zemlje) je uključen u isto vreme, tako da statička potrošnja energije ostaje veoma niska.
• Složenije CMOS kapije, kao što su NAND i NOR, nastaju povezivanjem više NMOS i PMOS tranzistora u seriju i paralelno.
CMOS vs NMOS vs TTL: Poređenje logike porodice
| Odlika | CMOS | NMOS | TTL (bipolarni) |
|---|---|---|---|
| Statička snaga (u praznom hodu) | Veoma nizak | Umereno | Visok |
| Dinamička snaga | Niska za istu funkciju | Viši | Visok pri velikoj brzini |
| Opseg napona napajanja | Dobro radi na niskim naponima | Više ograničeno | Često fiksni oko 5 V |
| Gustina integracije | Veoma visok | Niži | Niska u poređenju sa CMOS-om |
| Tipična upotreba danas | Glavni izbor u modernim čipovima | Uglavnom starija ili specijalna kola | Uglavnom starija ili specijalna kola |
CMOS proces izrade čipova
• Počnite sa čistom, visokokvalitetnom silikonskom pločicom kao osnovom za CMOS čip.
• Formirajte n-bunar i p-bunar regione u kojima će se praviti NMOS i PMOS tranzistori.
• Uzgajajte ili deponujte tanki sloj kapije oksida na površini pločice.
• Deponujte i uzorite materijal za kapiju da biste stvorili tranzistorske kapije.
• Implantirajte izvorne i odvodne regione sa ispravnim dopantima za NMOS i PMOS tranzistore.
• Izgradite izolacione strukture tako da obližnji tranzistori ne utiču jedni na druge.
• Depozit izolacionih slojeva i metalnih slojeva za povezivanje tranzistora u radna kola.
• Dodajte više metalnih slojeva i malih vertikalnih veza koje se zovu prolazi za usmeravanje signala preko čipa.
• Završite sa zaštitnim slojevima pasivizacije, a zatim isecite vafel na odvojene čipove, spakujte ih i testirajte.
KSNUMKS. Skaliranje tehnologije u CMOS-u
Vremenom, CMOS tehnologija je prešla sa mikrometarskih karakteristika na nanometarske veličine. Kako se tranzistori smanjuju, više njih može da stane na istoj površini čipa. Manji tranzistori takođe mogu brže prebaciti i često mogu raditi na nižim naponima napajanja, što poboljšava performanse uz smanjenje energije po operaciji. Ali smanjivanje CMOS uređaja takođe donosi izazove:
• Vrlo mali tranzistori mogu da propuštaju više struje, povećavajući snagu u stanju pripravnosti.
• Efekti kratkog kanala otežavaju kontrolu tranzistora.
• Varijacije procesa uzrokuju da parametri tranzistora variraju više od jednog uređaja do drugog.
Da bi se bavili ovim pitanjima, koriste se novije tranzistorske strukture kao što su FinFET i gate-all-around uređaji, zajedno sa naprednijim koracima procesa i strožim pravilima dizajna u modernoj CMOS tehnologiji.
Vrste potrošnje energije u CMOS kolima
| Tip napajanja | Kada se to dogodi | Glavni uzrok | Jednostavan efekat |
|---|---|---|---|
| Dinamička snaga | Kada se signali prebacuju između 0 i 1 | Punjenje i pražnjenje sitnih kondenzatora | Povećava se kako se prebacivanje i sat povećavaju |
| Snaga kratkog spoja | Za kratko vreme, dok se kapija prebacuje | NMOS i PMOS su delimično zajedno | Dodatna snaga koja se koristi tokom promena |
| Snaga curenja | Čak i kada se signali ne prebacuju | Mala struja koja teče kroz tranzistore | Postaje osnovni u veoma malim veličinama |
KSNUMKS. Mehanizmi neuspeha u CMOS tehnologiji
CMOS uređaji mogu propasti kroz zasun, oštećenje ESD-a, dugotrajno starenje i trošenje metalne interkonekcije. Latch-up se dešava kada parazitski PNPN putevi unutar čipa uključite i stvori vezu niskog otpora između VCC i zemlje; Snažni kontakti bunara, zaštitni prstenovi i adekvatan razmak između rasporeda pomažu u suzbijanju. ESD (elektrostatičko pražnjenje) može da probije tanke kapije oksida i spojeva kada brzi naponski šiljci pogode igle, tako da I / O jastučići obično uključuju namenske stezaljke i diode na bazi zaštitne mreže. Vremenom, BTI i vrući nosač ubrizgavanje tranzistora parametara, i prekomerna gustina struje može da izazove elektromigraciju koja slabi ili razbija metalne linije.
KSNUMKS. Digitalni gradivni blokovi u CMOS tehnologiji
• Osnovna logička vrata kao što su inverteri, NAND, NOR i XOR izgrađena su od CMOS tranzistora.
• Sekvencijalni elementi kao što su brave i japanke drže i ažuriraju bitove digitalnih podataka.
• Blokovi putanje podataka, uključujući zbrajače, multipleksere, menjače i brojača, formiraju se kombinovanjem mnogih CMOS kapija.
• Memorijski blokovi kao što su SRAM ćelije su grupisani u nizove za malu memoriju na čipu.
• Standardne ćelije su unapred dizajnirani CMOS logički blokovi koje digitalni alati ponovo koriste preko čipa.
• Veliki digitalni sistemi, uključujući procesore, kontrolere i prilagođene akceleratore, kreirani su povezivanjem mnogih standardnih ćelija i memorijskih blokova zajedno u CMOS tehnologiji.
Analogni i RF kola u CMOS tehnologiji
CMOS tehnologija nije ograničena na digitalnu logiku. Takođe se može koristiti za izgradnju analognih kola koja rade sa kontinuiranim signalima:
• Blokovi kao što su pojačala, komparatori i naponske reference su napravljeni od CMOS tranzistora i pasivnih komponenti.
• Ova kola pomažu u osećanju, oblikovanju i kontroli signala pre ili posle digitalne obrade.
CMOS takođe može da podrži RF (radio frekvencija) kola:
• Niskošumna pojačala, mikseri i oscilatori mogu se implementirati u istom CMOS procesu koji se koristi za digitalnu logiku.
• Kada se analogni, RF i digitalni blokovi kombinuju na jednom čipu, CMOS tehnologija omogućava rešenja sa mešovitim signalom ili RF sistemom na čipu koja obrađuju i obradu signala i komunikaciju na jednoj matrici.
Primena CMOS tehnologije
| Područje primene | Glavna uloga CMOS-a | Primeri uređaja |
|---|---|---|
| Procesori | Digitalna logika i kontrola | Aplikativni procesori, mikrokontroleri |
| Memorija | Skladištenje podataka pomoću SRAM-a, flash-a i drugih | Cache memorija, ugrađeni flash |
| Senzori slike | Aktivni nizovi piksela i krugovi za očitavanje | Smartphone kamere, veb kamere |
| Analogni interfejsi | Pojačala, ADC-ovi i DAC-ovi | Senzorski interfejsi, audio kodeci |
| RF i bežični | RF front-endovi i lokalni oscilatori | Vi-Fi, Bluetooth, mobilni primopredajnici |
Zaključak
CMOS podržava visoku gustinu tranzistora, nisku statičku snagu i brzo prebacivanje u modernim integrisanim kolima. Gradi logičke kapije, memorijske blokove i velike digitalne sisteme, a istovremeno podržava analogne i RF krugove na istom čipu. Kako se skaliranje nastavlja, curenje, efekti kratkih kanala i varijacije uređaja se povećavaju, tako da se koriste novije strukture kao što su FinFET i gate-all-around.
Često postavljana pitanja [FAK]
Koja je razlika između n-bunara, p-bunara i CMOS-a sa blizancem?
n-dobro gradi PMOS u n-bunarima, p-bunar gradi NMOS u p-bunarima, i blizanac-bunar koristi oba za bolju kontrolu ponašanja tranzistora.
Zašto CMOS čipovi koriste više metalnih slojeva?
Da biste povezali više signala, smanjili zagušenje rutiranja i poboljšali efikasnost ožičenja preko čipa.
Kakav je efekat tela u CMOS tranzistoru?
To je promena napona praga izazvana naponskom razlikom između izvora i tela tranzistora.
Šta su kondenzatori za razdvajanje u CMOS čipovima?
Oni stabilizuju napajanje smanjenjem pada napona i buke tokom prebacivanja.
Zašto CMOS-u trebaju zaštitne i zaštitne prstenove?
Da bi se smanjila buka spajanje i sprečilo smetnje između osetljivih i bučnih područja kola.
Kako se SRAM razlikuje od DRAM-a i blica u CMOS-u?
SRAM je brz, ali veći po veličini, DRAM je gušći, ali treba osvežiti, a flash čuva podatke čak i bez napajanja.