CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) er den primære teknologi, der anvendes i moderne chips, fordi den bruger NMOS- og PMOS-transistorer sammen for at reducere spildt strøm. Den understøtter digitale, analoge og blandede signalkredsløb i processorer, hukommelse, sensorer og trådløse enheder. Denne artikel giver information om CMOS-drift, fremstillingstrin, skalering, strømforbrug, pålidelighed og anvendelser.
CMOS Teknologi Grundlæggende
Komplementær metal–oxid–halvleder (CMOS) er den primære teknologi, der bruges til at bygge moderne integrerede kredsløb. Den bruger to typer transistorer, NMOS (n-kanal MOSFET) og PMOS (p-kanal MOSFET), arrangeret således, at når den ene er tændt, er den anden slukket. Denne supplerende handling hjælper med at reducere spildt strøm under normal drift.
CMOS gør det muligt at placere et meget stort antal transistorer på et lille stykke silicium, samtidig med at strømforbrug og varme holdes på håndterbare niveauer. På grund af dette anvendes CMOS-teknologi i digitale, analoge og blandede signalkredsløb i mange moderne elektroniske systemer, fra processorer og hukommelse til sensorer og trådløse chips.
MOSFET-enheder som kernen i CMOS-teknologien
I CMOS-teknologi er MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) den grundlæggende elektroniske kontakt. Den er bygget på en siliciumwafer og har fire hoveddele: kilden, drænet, porten og kanalen mellem kilde og dræn. Porten hviler oven på et meget tyndt isolerende lag kaldet gateoxid, som adskiller den fra kanalen.
Når en spænding påføres porten, ændrer den ladningen i kanalen. Dette tillader enten strøm at flyde mellem kilden og afløbet eller stopper det. I en NMOS-transistor bæres strømmen af elektroner. I en PMOS-transistor føres strømmen gennem huller. Ved at danne NMOS- og PMOS-transistorer i forskellige regioner kaldet brønde, kan CMOS-teknologi placere begge typer transistorer på den samme chip.
CMOS-logikdrift i digitale kredsløb
• CMOS-logik bruger par af NMOS- og PMOS-transistorer til at bygge grundlæggende logikporte.
• Den simpleste CMOS-port er inverteren, som vender signalet: når indgangen er 0, er udgangen 1; når inputtet er 1, er outputtet 0.
• I en CMOS-inverter forbinder PMOS-transistoren udgangen til den positive forsyning, når indgangen er lav.
• NMOS-transistoren forbinder udgangen til jord, når indgangen er høj.
• Ved normal drift er kun én vej (enten til forsyningen eller til jord) tændt ad gangen, så det statiske strømforbrug forbliver meget lavt.
• Mere komplekse CMOS-porte, såsom NAND og NOR, skabes ved at forbinde flere NMOS- og PMOS-transistorer i serie og parallelt.
CMOS vs NMOS vs TTL: Logikfamilie-sammenligning
| Feature | CMOS | NMOS | TTL (Bipolar) |
|---|---|---|---|
| Statisk strøm (tomgang) | Meget lavt | Moderat | High |
| Dynamisk kraft | Lav for samme funktion | Højere | Høj ved høj hastighed |
| Forsyningsspændingsområde | Fungerer godt ved lave spændinger | Mere begrænset | Ofte fastlagt omkring 5 V |
| Integrationstæthed | Meget højt | Nedre | Lav sammenlignet med CMOS |
| Typisk brug i dag | Hovedvalg i moderne chips | For det meste ældre eller specielle kredsløb | For det meste ældre eller specielle kredsløb |
CMOS-chipfremstillingsproces
• Start med en ren, højkvalitets siliciumskive som base for CMOS-chippen.
• Danne n-brønd- og p-brøndsregioner, hvor NMOS- og PMOS-transistorerne vil blive fremstillet.
• Dyrk eller afsæt et tyndt gate oxid-lag på overfladen af waferen.
• Afsæt og mønstre gatematerialet for at skabe transistorportene.
• Implantér kilde- og drænområderne med de korrekte dopanter til NMOS- og PMOS-transistorer.
• Byg isolationsstrukturer, så nærliggende transistorer ikke påvirker hinanden.
• Aflejr isolerende lag og metallag for at forbinde transistorer i arbejdskredsløb.
• Tilføj flere metallag og små lodrette led kaldet vias for at føre signaler over chippen.
• Afslut med beskyttende passiveringslag, skær derefter waferen i separate chips, pakk dem og test dem.
Teknologisk skalering i CMOS
Med tiden er CMOS-teknologien gået fra mikrometer-størrelse funktioner ned til nanometer-store funktioner. Når transistorer bliver mindre, kan flere af dem passe på samme chipareal. Mindre transistorer kan også skifte hurtigere og kan ofte køre ved lavere forsyningsspændinger, hvilket forbedrer ydeevnen og reducerer energiforbruget pr. operation. Men at reducere CMOS-enheder medfører også udfordringer:
• Meget små transistorer kan lække mere strøm, hvilket øger standby-effekten.
• Kortkanalseffekter gør transistorer sværere at kontrollere.
• Procesvariationer får transistorparametre til at variere mere fra én enhed til en anden.
For at håndtere disse problemer anvendes nyere transistorstrukturer som FinFETs og gate-all-around-enheder, sammen med mere avancerede procestrin og strengere designregler i moderne CMOS-teknologi.
Typer af strømforbrug i CMOS-kredsløb
| Strømtype | Når det sker | Hovedårsagen | Simpel effekt |
|---|---|---|---|
| Dynamisk kraft | Når signaler skifter mellem 0 og 1 | Opladning og afladning af små kondensatorer | Stiger når skiftet og klokken stiger |
| Kortslutningsstrøm | I en kort periode, mens en gate skifter | NMOS og PMOS er delvist tændt sammen | Ekstra kraft brugt under ændringer |
| Lækstrøm | Selv når signalerne ikke skifter | Lille strøm, der løber gennem transistorerne | Bliver grundlæggende ved meget små størrelser |
Fejlmekanismer i CMOS-teknologi
CMOS-enheder kan fejle på grund af låsning, ESD-skader, langvarig aldring og slid på metalforbindelser. Latch-up sker, når parasitære PNPN-baner inde i chippen tændes og skaber en lavmodstandsforbindelse mellem VCC og jord; Stærke brøndkontakter, beskyttelsesringe og tilstrækkelig layout mellem hinanden hjælper med at undertrykke den. ESD (elektrostatisk udladning) kan trænge igennem tynde gate-oxider og overgange, når hurtige spændingsspidser rammer benene, så I/O-pads inkluderer normalt dedikerede klemmer og diodebaserede beskyttelsesnetværk. Over tid forskyder BTI og hot-carrier injection transistorparametrene, og overdreven strømtæthed kan udløse elektromigration, der svækker eller bryder metalledninger.
Digitale byggesten i CMOS-teknologi
• Grundlæggende logikporte som invertere, NAND, NOR og XOR er bygget af CMOS-transistorer.
• Sekventielle elementer som låse og flip-flops holder og opdaterer bits af digitale data.
• Datastiblokke, herunder addere, multiplexere, shiftere og tællere, dannes ved at kombinere mange CMOS-porte.
• Hukommelsesblokke som SRAM-celler grupperes i arrays for små on-chip lagring.
• Standardceller er foruddesignede CMOS-logikblokke, som digitale værktøjer genbruger på tværs af chippen.
• Store digitale systemer, herunder CPU'er, controllere og specialacceleratorer, skabes ved at forbinde mange standardceller og hukommelsesblokke i CMOS-teknologi.
Analoge og RF-kredsløb i CMOS-teknologi
CMOS-teknologi er ikke begrænset til digital logik. Den kan også bruges til at bygge analoge kredsløb, der arbejder med kontinuerlige signaler:
• Blokke som forstærkere, komparatorer og spændingsreferencer laves af CMOS-transistorer og passive komponenter.
• Disse kredsløb hjælper med at opfatte, forme og styre signaler før eller efter digital behandling.
CMOS kan også understøtte RF (radiofrekvens) kredsløb:
• Lavstøjforstærkere, mixere og oscillatorer kan implementeres i den samme CMOS-proces, som bruges til digital logik.
• Når analoge, RF- og digitale blokke kombineres på én chip, muliggør CMOS-teknologi mixed-signal eller RF system-on-chip løsninger, der håndterer både signalbehandling og kommunikation på en enkelt chip.
Anvendelser af CMOS-teknologi
| Anvendelsesområde | Hovedrolle for CMOS | Eksempelenheder |
|---|---|---|
| Processorer | Digital logik og styring | Applikationsprocessorer, mikrocontrollere |
| Hukommelse | Datalagring ved brug af SRAM, flash og andre | Cache-hukommelse, indlejret flash |
| Billedsensorer | Aktive pixelarrays og aflæsningskredsløb | Smartphonekameraer, webcams |
| Analoge grænseflader | Forstærkere, ADC'er og DAC'er | Sensorgrænseflader, lydcodecs |
| RF og trådløs | RF-front-ends og lokale oscillatorer | Wi-Fi, Bluetooth, mobiltransceivere |
Konklusion
CMOS understøtter høj transistor-densitet, lav statisk effekt og hurtig switching i moderne integrerede kredsløb. Den bygger logikporte, hukommelsesblokke og store digitale systemer, samtidig med at den understøtter analoge og RF-kredsløb på samme chip. Efterhånden som skaleringen fortsætter, øges lækage, kortkanalseffekter og enhedsvariation, så nyere strukturer som FinFETs og gate-all-around anvendes.
Ofte stillede spørgsmål [FAQ]
Hvad er forskellen mellem n-well, p-well og twin-well CMOS?
n-well bygger PMOS i n-wells, p-well bygger NMOS i p-wells, og twin-well bruger begge til bedre kontrol af transistorernes adfærd.
Hvorfor bruger CMOS-chips flere metallag?
For at forbinde flere signaler, reducere rutebelastning og forbedre ledningseffektiviteten på tværs af chippen.
Hvad er kropseffekten i en CMOS-transistor?
Det er en ændring i tærskelspændingen forårsaget af en spændingsforskel mellem kilden og transistorkroppen.
Hvad er decoupling-kondensatorer i CMOS-chips?
De stabiliserer strømforsyningen ved at reducere spændingsfald og støj under omskiftning.
Hvorfor har CMOS brug for afskærmning og beskyttelsesringe?
For at reducere støjkobling og forhindre interferens mellem følsomme og støjende kredsløbsområder.
Hvordan adskiller SRAM sig fra DRAM og flash i CMOS?
SRAM er hurtigt, men større i størrelse, DRAM er tættere, men kræver opdatering, og flash holder data selv uden strøm.