CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) er aðaltæknin sem notuð er í nútíma örgjörvum vegna þess að hún notar NMOS og PMOS transistora saman til að draga úr orkusóun. Hún styður stafrænar, hliðrænar og blandaðar rásir í örgjörvum, minni, skynjurum og þráðlausum tækjum. Þessi grein veitir upplýsingar um rekstur CMOS, framleiðsluskref, stækkun, orkunotkun, áreiðanleika og notkun.
Grunnatriði CMOS tækni
Viðbótar málm–oxíð–hálfleiðari (CMOS) er aðaltæknin sem notuð er til að smíða nútíma samþættar rásir. Hann notar tvær gerðir af transistorum, NMOS (n-rás MOSFET) og PMOS (p-rás MOSFET), raðað þannig að þegar annar er kveiktur er hinn slökktur. Þessi viðbótaraðgerð hjálpar til við að draga úr rafmagnssóun við eðlilega notkun.
CMOS gerir kleift að setja mjög marga transistora á lítið kísilstykki á meðan orkunotkun og varmi haldast viðráðanleg. Vegna þessa er CMOS tækni notuð í stafrænum, hliðrænum og blönduðum rafeindarásum í mörgum nútíma rafeindakerfum, allt frá örgjörvum og minni til skynjara og þráðlausra flísa.
MOSFET-tæki sem kjarni CMOS-tækni
Í CMOS-tækni er MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) grunnrafeindarofi. Hún er byggð á kísilplötu og hefur fjóra meginhluta: uppsprettu, frárennsli, hlið og rás milli uppsprettu og frárennslis. Hliðið situr ofan á mjög þunnu einangrunarlagi sem kallast hliðaroxíð, sem aðskilur það frá rásinni.
Þegar spenna er lögð á hliðið breytist hleðslan í rásinni. Þetta annað hvort leyfir straumi að flæða milli uppsprettu og frárennslis eða stöðvar það. Í NMOS transistor er straumurinn borinn af rafeindum. Í PMOS-transistor er straumurinn borinn af götum. Með því að mynda NMOS og PMOS transistora á mismunandi svæðum sem kallast holur, getur CMOS tækni sett báðar gerðir transistora á sama flögu.
CMOS rökfræði í stafrænum rásum
• CMOS rökfræði notar pör af NMOS og PMOS transistorum til að byggja grunn rökhlið.
• Einfaldasta CMOS-hliðið er inverterinn, sem snýr merkinu: þegar inntakið er 0, þá er úttakið 1; þegar inntakið er 1, er úttakið 0.
• Í CMOS inverter tengir PMOS transistorinn úttakið við jákvæða aflgjafa þegar inntakið er lágt.
• NMOS transistorinn tengir úttakið við jörð þegar inntakið er hátt.
• Í venjulegri notkun er aðeins ein leið (annað hvort til aflgjafa eða jarðtengingar) í gangi í einu, svo rafmagnsnotkun er mjög lítil.
• Flóknari CMOS-hlið, eins og NAND og NOR, eru búin til með því að tengja saman marga NMOS og PMOS transistora í röð og samhliða.
CMOS vs NMOS vs TTL: Samanburður á rökfræðifjölskyldu
| Eiginleiki | CMOS | NMOS | TTL (Bipolar) |
|---|---|---|---|
| Stöðug orka (í biðstöðu) | Mjög lágt | Miðlungs | High |
| Dýnamísk afl | Lágt fyrir sama fall | Hærra | Hátt á miklum hraða |
| Spennusvið fyrir framboð | Virkar vel við lága spennu | Takmarkaðri | Oft fastur í kringum 5 V |
| Samþættingarþéttleiki | Mjög hátt | Neðri | Lágt miðað við CMOS |
| Dæmigerð notkun í dag | Aðalval í nútíma örgjörvum | Aðallega eldri eða sérhæfðar rásir | Aðallega eldri eða sérhæfðar rásir |
Framleiðsluferli CMOS-flísa
• Byrjaðu með hreina, hágæða kísilplötu sem grunn fyrir CMOS flísina.
• Myndaðu n-brunna og p-brunna svæði þar sem NMOS og PMOS transistorar verða framleiddir.
• Rækta eða leggja þunnt hliðaroxíðlag á yfirborð plötunnar.
• Setja og móta hliðarefnið til að búa til transistorhliðin.
• Græða uppruna- og frárennslissvæði með réttum dópípöntum fyrir NMOS og PMOS transistora.
• Byggja einangrunarbyggingar þannig að nálægir transistorar hafi ekki áhrif hver á annan.
• Setja einangrandi lög og málmlög til að tengja transistora í vinnurásir.
• Bæta við fleiri málmlögum og litlum lóðréttum tengjum sem kallast vias til að beina merkjum yfir flísina.
• Kláraðu með verndandi passiveringarlögum, skerðu svo plötuna í aðskildar flísar, pakkaðu þeim og prófaðu þær.
Tæknistækkun í CMOS
Með tímanum hefur CMOS tækni færst frá örsmáum eiginleikum niður í nanómetra stærð. Þegar transistorar verða minni geta fleiri þeirra passað á sama flögusvæði. Minni transistorar geta einnig skipt hraðar og geta oft keyrt við lægri spennu, sem bætir afköst og minnkar orku á hverja aðgerð. En minnkun CMOS-tækja felur einnig í sér áskoranir:
• Mjög litlir transistorar geta lekið meiri straumi, sem eykur biðafl.
• Stuttrásaráhrif gera transistora erfiðari í stjórn.
• Ferlisbreytingar valda því að breytibreytur transistora breytast meira frá einu tæki til annars.
Til að takast á við þessi vandamál eru nýrri transistorbyggingar eins og FinFET og hliðar-all-around tæki notaðar, ásamt flóknari ferlaskrefum og strangari hönnunarreglum í nútíma CMOS tækni.
Tegundir orkunotkunar í CMOS rásum
| Afltegund | Þegar það gerist | Aðalorsök | Einföld áhrif |
|---|---|---|---|
| Dýnamísk afl | Þegar merki skipta á milli 0 og 1 | Hleðsla og afhleðslu smárra þétta | Hækkun þegar skipti og klukka hækkar |
| Skammhlaupsafl | Í stuttan tíma, á meðan hlið er að skipta | NMOS og PMOS eru að hluta til kveikt saman | Aukaafl notað við breytingar |
| Lekaafl | Jafnvel þegar merki eru ekki að skipta | Lítill straumur sem rennur í gegnum transistorana | Verður grunnur við mjög litlar stærðir |
Bilunaraðferðir í CMOS tækni
CMOS-tæki geta bilað vegna læsingar, ESD-skemmda, langvarandi öldrunar og slits á málmtengjum. Læsing á sér stað þegar sníkjudýra PNPN leiðir inni í flísinni kveikja á sér og mynda lágviðnámstengingu milli VCC og jarðtengingar; Sterkir snertipunktar í brunninum, varnarhringir og nægilegt bil milli uppsetninga hjálpa til við að draga úr þessu. ESD (rafafhleðslu) getur brotist í gegnum þunnar hliðaroxíð og tengi þegar hraðspennutoppar lenda á pinnunum, svo I/O púðar innihalda venjulega sérstaka klemmur og díóðubundin verndarnet. Með tímanum færast BTI og heita burðarinnspýting breytibreytur transistorsins, og of mikill straumþéttleiki getur valdið rafflutningi sem veikjar eða brýtur málmlínur.
Stafrænar byggingareiningar í CMOS tækni
• Grunnrökhlið eins og inverterar, NAND, NOR og XOR eru byggð úr CMOS transistorum.
• Raðþættir eins og læsingar og flip-flops halda og uppfæra bita af stafrænum gögnum.
• Gagnaleiðablokkir, þar á meðal samlagningar, margföldunarvélar, skiptibreytur og teljarar, eru myndaðar með því að sameina margar CMOS-hlið.
• Minnisblokkir eins og SRAM-frumur eru flokkaðar í fylki fyrir litla geymslu á flísinni.
• Staðlaðar frumur eru fyrirfram hönnuð CMOS rökblokkir sem stafrænar aðferðir endurnýta yfir örflögu.
• Stór stafræn kerfi, þar á meðal örgjörvar, stýringar og sérsniðnir hraðlar, eru búin til með því að tengja saman margar staðlaðar frumur og minnisblokkir í CMOS tækni.
Hliðrænar og RF rásir í CMOS tækni
CMOS tækni takmarkast ekki við stafræna rökfræði. Hún má einnig nota til að byggja analogar rásir sem vinna með samfelldum merkjum:
• Blokkir eins og magnarar, samanburðartæki og spennuviðmið eru gerðar úr CMOS transistorum og óvirkum íhlutum.
• Þessar rásir hjálpa til við að nema, móta og stjórna merkjum fyrir eða eftir stafræna vinnslu.
CMOS getur einnig stutt RF (útvarpsbylgju) rásir:
• Lághávaða magnarar, blöndunartæki og sveiflutæki má útfæra í sama CMOS ferli og notað er fyrir stafræna rökfræði.
• Þegar hliðrænar, RF og stafrænar blokkir eru sameinaðar á einum örgjörva, gerir CMOS tækni kleift að nota blandað merki eða RF kerfi-á-flís lausnir sem sjá bæði um merkjavinnslu og samskipti á einni flögu.
Notkun CMOS tækni
| Notkunarsvið | Aðalhlutverk CMOS | Dæmi um tæki |
|---|---|---|
| Örgjörvar | Stafræn rökfræði og stýring | Forritavinnslueiningar, örgjörvar |
| Minni | Gagnageymsla með SRAM, flash og fleira | Skyndiminni, innbyggð flash |
| Myndskynjarar | Virkar pixlafylki og lestrarhringrásir | Snjallsímamyndavélar, vefmyndavélar |
| Hliðræn viðmót | Magnarar, ADC og DAC | Skynjaraviðmót, hljóðkóðarar |
| RF og þráðlaust | RF framenda og staðbundnir sveifluvísar | Wi-Fi, Bluetooth, farsímamóttakarar |
Niðurstaða
CMOS styður mikinn þéttleika transistora, lága kyrrstöðuafl og hraða rofa í nútíma samþættum rásum. Það byggir rökhlið, minnisblokkir og stór stafræn kerfi, auk þess að styðja hliðrænar og RF rásir á sama flís. Með áframhaldandi stækkun eykst leki, stuttrásaráhrif og tækjabreytileiki, svo nýrri byggingar eins og FinFET og hlið-all-around eru notaðar.
Algengar spurningar [FAQ]
Hver er munurinn á n-well, p-well og tvöföldum holu CMOS?
n-well byggir PMOS í n-wells, p-well byggir NMOS í p-wells og twin-well notar bæði til betri stjórnunar á hegðun transistora.
Af hverju nota CMOS flísar mörg málmlög?
Til að tengja fleiri merki, draga úr umferðarteppu og bæta skilvirkni raflagna yfir flísina.
Hver er líkamsáhrif í CMOS transistor?
Þetta er breyting á þröskuldsspennu sem stafar af spennumuninum milli uppsprettu og rafeindahluta.
Hvað eru aðskilnaðarþéttir í CMOS örgjörvum?
Þeir stöðva aflgjafann með því að draga úr spennufalli og hávaða við rofa.
Af hverju þarf CMOS skjöld og varnarhringi?
Til að draga úr hávaðatengingu og koma í veg fyrir truflanir milli viðkvæmra og hávaðasamra rásasvæða.
Hvernig er SRAM frábrugðið DRAM og flash í CMOS?
SRAM er hraðvirkt en stærra, DRAM er þéttara en þarf endurnýjun, og flash heldur gögnum jafnvel án rafmagns.