CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) je hlavná technológia používaná v moderných čipoch, pretože využíva NMOS a PMOS tranzistory spolu na zníženie plytvania energiou. Podporuje digitálne, analógové a zmiešané signálové obvody v procesoroch, pamäti, senzoroch a bezdrôtových zariadeniach. Tento článok poskytuje informácie o prevádzke CMOS, výrobných krokoch, škálovaní, spotrebe energie, spoľahlivosti a aplikáciách.
Základy technológie CMOS
Komplementárny kov–oxid–polovodič (CMOS) je hlavná technológia používaná na stavbu moderných integrovaných obvodov. Používa dva typy tranzistorov, NMOS (n-kanálový MOSFET) a PMOS (p-kanálový MOSFET), usporiadané tak, že keď je jeden zapnutý, druhý je vypnutý. Táto doplnková činnosť pomáha znižovať plytvanie výkonom počas bežnej prevádzky.
CMOS umožňuje umiestniť veľmi veľký počet tranzistorov na malý kus kremíka pri zachovaní spotreby energie a tepla na zvládnuteľnej úrovni. Preto sa CMOS technológia používa v digitálnych, analógových a zmiešaných signálových obvodoch v mnohých moderných elektronických systémoch, od procesorov a pamätí až po senzory a bezdrôtové čipy.
MOSFET zariadenia ako jadro CMOS technológie
V CMOS technológii je MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) základným elektronickým prepínačom. Je postavený na kremíkovej doštičke a má štyri hlavné časti: zdroj, odtok, bránu a kanál medzi zdrojom a odtokom. Brána sedí na veľmi tenkej izolačnej vrstve nazývanej oxid brány, ktorá ju oddeľuje od kanála.
Keď sa na hradlo aplikuje napätie, mení sa náboj v kanáli. To buď umožní prúdu prúdu medzi zdrojom a odtokom, alebo ho zastaví. V NMOS tranzistore je prúd prenášaný elektrónmi. V tranzistore PMOS je prúd vedený cez otvory. Vytvorením NMOS a PMOS tranzistorov v rôznych oblastiach, nazývaných studne, môže technológia CMOS umiestniť oba typy tranzistorov na ten istý čip.
CMOS logická prevádzka v digitálnych obvodoch
• CMOS logika používa páry NMOS a PMOS tranzistorov na tvorbu základných logických hradiel.
• Najjednoduchším CMOS hradlom je menič, ktorý prepína signál: keď je vstup 0, výstup je 1; keď je vstup 1, výstup je 0.
• V CMOS meniči PMOS tranzistor pripája výstup k kladnému zdroju, keď je vstup nízky.
• NMOS tranzistor pripája výstup k zemi, keď je vstup vysoký.
• Pri bežnej prevádzke je zapnutá len jedna cesta (buď k napájaniu alebo k zemi), takže statická spotreba energie zostáva veľmi nízka.
• Zložitejšie CMOS hradlá, ako NAND a NOR, sa vytvárajú spojením viacerých tranzistorov NMOS a PMOS v sérii a paralelne.
CMOS vs NMOS vs TTL: Porovnanie logickej rodiny
| Funkcia | CMOS | NMOS | TTL (bipolárna) |
|---|---|---|---|
| Statický výkon (v nečinnosti) | Veľmi nízke | Stredný | Vysoké |
| Dynamická moc | Low pre tú istú funkciu | Vyššie | Vysoká rýchlosť |
| Rozsah napájacieho napätia | Funguje dobre pri nízkych napätiach | Obmedzenejšie | Často fixované okolo 5 V |
| Integračná hustota | Veľmi vysoké | Nižšie | Nízke v porovnaní s CMOS |
| Bežné použitie dnes | Hlavná voľba v moderných čipoch | Väčšinou staršie alebo špeciálne obvody | Väčšinou staršie alebo špeciálne obvody |
Proces výroby CMOS čipov
• Začať s čistou, kvalitnou kremíkovou doštičkou ako základom pre CMOS čip.
• Vytvoriť n-well a p-well oblasti, kde budú vznikať tranzistory NMOS a PMOS.
• Vytvoriť alebo naniesť tenkú vrstvu bránkového oxidu na povrch doštičky.
• Nanesenie a vzorovanie materiálu hradla na vytvorenie tranzistorových hradiel.
• Implantovať zdrojové a drenážne oblasti správnymi dopantami pre tranzistory NMOS a PMOS.
• Vybudovať izolačné štruktúry tak, aby sa blízke tranzistory navzájom neovplyvňovali.
• Izolačné vrstvy a kovové vrstvy na prepojenie tranzistorov do funkčných obvodov.
• Pridanie ďalších kovových vrstiev a malých vertikálnych článkov nazývaných vias na smerovanie signálov cez čip.
• Dokončiť ochrannými pasivačnými vrstvami, potom rozrezať plátok na samostatné čipy, zabaliť ich a otestovať.
Škálovanie technológií v CMOS
Postupom času sa technológia CMOS posunula od mikrometrových prvkov k nanometrovým prvkom. Ako tranzistory zmenšujú, viac z nich sa zmestí na tú istú plochu čipu. Menšie tranzistory môžu tiež prepínať rýchlejšie a často bežať pri nižších napájacích napätiach, čo zlepšuje výkon a zároveň znižuje spotrebu energie na prevádzku. Zmenšovanie CMOS zariadení však prináša aj výzvy:
• Veľmi malé tranzistory môžu unikať viac prúdu, čím sa zvyšuje pohotovostný výkon.
• Krátke kanálové efekty sťažujú ovládanie tranzistorov.
• Zmeny procesu spôsobujú, že parametre tranzistora sa medzi jednotlivými zariadeniami viac líšia.
Na riešenie týchto problémov sa používajú novšie tranzistorové štruktúry, ako sú FinFET a zariadenia typu gate-all-around, spolu s pokročilejšími procesnými krokmi a prísnejšími návrhovými pravidlami v modernej CMOS technológii.
Typy spotreby energie v CMOS obvodoch
| Typ výkonu | Keď sa to stane | Hlavná príčina | Jednoduchý efekt |
|---|---|---|---|
| Dynamická moc | Keď sa signály prepínajú medzi 0 a 1 | Nabíjanie a vybíjanie malých kondenzátorov | Zvyšuje sa, keď sa prepínanie a hodiny zvyšujú |
| Skratové napájanie | Na krátky čas, keď sa brána prepína | NMOS a PMOS sú čiastočne v prevádzke spolu | Dodatočná sila použitá počas zmien |
| Únikový výkon | Aj keď signály neprepínajú | Malý prúd pretekajúci tranzistormi | Stáva sa základným pri veľmi malých veľkostiach |
Mechanizmy zlyhania v CMOS technológii
CMOS zariadenia môžu zlyhať v dôsledku zachytenia, poškodenia ESD, dlhodobého starnutia a opotrebenia kovových prepojení. Latch-up nastáva, keď sa parazitné PNPN cesty vo vnútri čipu zapnú a vytvoria nízkoodporové spojenie medzi VCC a zemou; silné kontakty v studni, ochranné krúžky a dostatočné rozostupy v rozložení pomáhajú ho potláčať. ESD (elektrostatický výboj) dokáže preraziť tenké oxidy a spoje pri rýchlych napäťových špičkách, preto I/O pady zvyčajne obsahujú špeciálne svorky a diódové ochranné siete. Postupom času BTI a horúce nosiče vstrekovania menia parametre tranzistorov a nadmerná hustota prúdu môže vyvolať elektromigráciu, ktorá oslabuje alebo prerušuje kovové vedenia.
Digitálne stavebné kamene v CMOS technológii
• Základné logické hradlá ako invertory, NAND, NOR a XOR sú postavené z CMOS tranzistorov.
• Sekvenčné prvky ako západky a klopné obvody uchovávajú a aktualizujú bity digitálnych dát.
• Bloky dátových ciest, vrátane sčítačov, multiplexerov, posuvníkov a čítačov, vznikajú kombináciou mnohých CMOS hradiel.
• Pamäťové bloky, ako sú SRAM bunky, sú zoskupené do polí pre malé úložisko na čipe.
• Štandardné bunky sú predpripravené CMOS logické bloky, ktoré digitálne nástroje opakovane používajú na čipe.
• Veľké digitálne systémy, vrátane CPU, radičov a vlastných akcelerátorov, sa vytvárajú prepojením mnohých štandardných buniek a pamäťových blokov v CMOS technológii.
Analógové a RF obvody v CMOS technológii
CMOS technológia nie je obmedzená len na digitálnu logiku. Môže sa tiež použiť na stavbu analógových obvodov, ktoré pracujú so spojitými signálmi:
• Bloky ako zosilňovače, komparátory a napäťové referencie sa vyrábajú z CMOS tranzistorov a pasívnych komponentov.
• Tieto obvody pomáhajú vnímať, tvarovať a riadiť signály pred alebo po digitálnom spracovaní.
CMOS môže tiež podporovať RF (rádiofrekvenčné) obvody:
• Nízkošumové zosilňovače, mixéry a oscilátory môžu byť implementované v rovnakom CMOS procese, aký sa používa pre digitálnu logiku.
• Keď sú analógové, RF a digitálne bloky kombinované na jednom čipe, CMOS technológia umožňuje riešenia so zmiešaným signálom alebo RF systémom na čipe, ktoré zvládajú spracovanie signálu aj komunikáciu na jednom čipe.
Aplikácie CMOS technológie
| Oblasť použitia | Hlavná rola CMOS | Príklady zariadení |
|---|---|---|
| Procesory | Digitálna logika a riadenie | Aplikačné procesory, mikrokontroléry |
| Pamäť | Ukladanie dát pomocou SRAM, flash a ďalších | Cache pamäť, zabudovaná flash |
| Obrazové senzory | Aktívne pixelové polia a čítacie obvody | Fotoaparáty v smartfónoch, webkamery |
| Analógové rozhrania | Zosilňovače, ADC a DAC | Senzorové rozhrania, audio kodeky |
| RF a bezdrôtové | RF front-endy a lokálne oscilátory | Wi-Fi, Bluetooth, mobilné vysielače |
Záver
CMOS podporuje vysokú hustotu tranzistorov, nízky statický výkon a rýchle prepínanie v moderných integrovaných obvodoch. Buduje logické hradlá, pamäťové bloky a veľké digitálne systémy, pričom zároveň podporuje analógové a RF obvody na tom istom čipe. Ako škálovanie pokračuje, rastie únik, efekty krátkych kanálov a variabilita zariadení, preto sa používajú novšie štruktúry ako FinFETy a gate-all-around.
Často kladené otázky [FAQ]
Aký je rozdiel medzi n-well, p-well a twin-well CMOS?
n-well buduje PMOS v n-jamkách, p-well buduje NMOS v p-jamkách a twin-well používa oba na lepšiu kontrolu správania tranzistorov.
Prečo CMOS čipy používajú viacero kovových vrstiev?
Na prepojenie väčšieho počtu signálov, zníženie preťaženia smerovania a zlepšenie efektivity zapojenia naprieč čipom.
Aký je telesný efekt v CMOS tranzistore?
Ide o zmenu prahového napätia spôsobenú rozdielom napätia medzi zdrojom a telesom tranzistora.
Čo sú odpojovacie kondenzátory v CMOS čipoch?
Stabilizujú napájanie znížením poklesov napätia a šumu počas prepínania.
Prečo CMOS potrebuje tienenie a ochranné krúžky?
Na zníženie šumovej väzby a zabránenie rušeniu medzi citlivými a šumovými oblasťami obvodu.
Ako sa SRAM líši od DRAM a flash v CMOS?
SRAM je rýchla, ale väčšia, DRAM je hustejšia, ale vyžaduje obnovu, a flash uchováva dáta aj bez napájania.