CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) ialah teknologi utama yang digunakan dalam cip moden kerana ia menggunakan transistor NMOS dan PMOS bersama-sama untuk mengurangkan kuasa yang terbuang. Ia menyokong litar isyarat digital, analog dan campuran dalam pemproses, memori, penderia dan peranti wayarles. Artikel ini menyediakan maklumat tentang operasi CMOS, langkah fabrikasi, penskalaan, penggunaan kuasa, kebolehpercayaan dan aplikasi.
Asas Teknologi CMOS
Logam-Oksida-Semikonduktor Pelengkap (CMOS) ialah teknologi utama yang digunakan untuk membina litar bersepadu moden. Ia menggunakan dua jenis transistor, NMOS (MOSFET saluran-n) dan PMOS (MOSFET saluran-p), disusun supaya apabila satu dihidupkan, yang lain dimatikan. Tindakan pelengkap ini membantu mengurangkan pembaziran kuasa semasa operasi biasa.
CMOS memungkinkan untuk meletakkan sebilangan besar transistor pada sekeping kecil silikon sambil mengekalkan penggunaan kuasa dan haba pada tahap yang boleh diurus. Oleh sebab itu, teknologi CMOS digunakan dalam litar digital, analog dan isyarat campuran dalam banyak sistem elektronik moden, daripada pemproses dan memori kepada penderia dan cip wayarles.
Peranti MOSFET sebagai Teras Teknologi CMOS
Dalam teknologi CMOS, MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) ialah suis elektronik asas. Ia dibina di atas wafer silikon dan mempunyai empat bahagian utama: sumber, longkang, pintu pagar, dan saluran antara sumber dan longkang. Pintu itu terletak di atas lapisan penebat yang sangat nipis yang dipanggil pintu oksida, yang memisahkannya daripada saluran.
Apabila voltan digunakan pada pintu pagar, ia mengubah cas dalam saluran. Ini sama ada membolehkan arus mengalir antara sumber dan longkang atau menghentikannya. Dalam transistor NMOS, arus dibawa oleh elektron. Dalam transistor PMOS, arus dibawa oleh lubang. Dengan membentuk transistor NMOS dan PMOS di kawasan berbeza yang dipanggil telaga, teknologi CMOS boleh meletakkan kedua-dua jenis transistor pada cip yang sama.
Operasi Logik CMOS dalam Litar Digital
• Logik CMOS menggunakan pasangan transistor NMOS dan PMOS untuk membina pintu logik asas.
• Pintu CMOS yang paling mudah ialah penyongsang, yang membalikkan isyarat: apabila input ialah 0, outputnya ialah 1; Apabila input ialah 1, outputnya ialah 0.
• Dalam penyongsang CMOS, transistor PMOS menyambungkan output kepada bekalan positif apabila input rendah.
• Transistor NMOS menyambungkan output ke tanah apabila input tinggi.
• Dalam operasi biasa, hanya satu laluan (sama ada ke bekalan atau ke tanah) dihidupkan pada satu masa, jadi penggunaan kuasa statik kekal sangat rendah.
• Pintu CMOS yang lebih kompleks, seperti NAND dan NOR, dicipta dengan menyambungkan berbilang transistor NMOS dan PMOS secara bersiri dan selari.
CMOS vs NMOS vs TTL: Perbandingan Keluarga Logik
| Ciri-ciri | CMOS | NMOS | TTL (Bipolar) |
|---|---|---|---|
| Kuasa statik (terbiar) | Sangat rendah | Sederhana | Tinggi |
| Kuasa dinamik | Rendah untuk fungsi yang sama | Lebih tinggi | Tinggi pada kelajuan tinggi |
| Julat voltan bekalan | Berfungsi dengan baik pada voltan rendah | Lebih terhad | Selalunya diperbaiki sekitar 5 V |
| Ketumpatan integrasi | Sangat tinggi | Lebih rendah | Rendah berbanding CMOS |
| Penggunaan biasa hari ini | Pilihan utama dalam kerepek moden | Kebanyakannya litar lama atau khas | Kebanyakannya litar lama atau khas |
Proses Fabrikasi Cip CMOS
• Mulakan dengan wafer silikon yang bersih dan berkualiti tinggi sebagai asas untuk cip CMOS.
• Bentuk kawasan n-well dan p-well di mana transistor NMOS dan PMOS akan dibuat.
• Tanam atau depositkan lapisan oksida pintu nipis pada permukaan wafer.
• Deposit dan corak bahan pintu untuk mencipta pintu transistor.
• Tanam kawasan sumber dan longkang dengan dopan yang betul untuk transistor NMOS dan PPOS.
• Bina struktur pengasingan supaya transistor berdekatan tidak menjejaskan satu sama lain.
• Deposit lapisan penebat dan lapisan logam untuk menyambungkan transistor ke dalam litar kerja.
• Tambah lebih banyak lapisan logam dan pautan menegak kecil yang dipanggil vias untuk menghalakan isyarat merentasi cip.
• Selesaikan dengan lapisan pasif pelindung, kemudian potong wafer menjadi cip berasingan, bungkus dan uji.
Penskalaan Teknologi dalam CMOS
Dari masa ke masa, teknologi CMOS telah beralih daripada ciri bersaiz mikrometer kepada ciri bersaiz nanometer. Apabila transistor semakin kecil, lebih banyak daripada mereka boleh dimuatkan pada kawasan cip yang sama. Transistor yang lebih kecil juga boleh bertukar lebih pantas dan selalunya boleh berjalan pada voltan bekalan yang lebih rendah, yang meningkatkan prestasi sambil mengurangkan tenaga setiap operasi. Tetapi peranti CMOS yang mengecut juga membawa cabaran:
• Transistor yang sangat kecil boleh membocorkan lebih banyak arus, meningkatkan kuasa siap sedia.
• Kesan saluran pendek menjadikan transistor lebih sukar dikawal.
• Variasi proses menyebabkan parameter transistor lebih berbeza dari satu peranti ke peranti lain.
Untuk menangani isu ini, struktur transistor yang lebih baharu seperti FinFET dan peranti gerbang serba boleh digunakan, bersama-sama dengan langkah proses yang lebih maju dan peraturan reka bentuk yang lebih ketat dalam teknologi CMOS moden.
Jenis Penggunaan Kuasa dalam Litar CMOS
| Jenis Kuasa | Apabila Ia Berlaku | Punca Utama | Kesan Mudah |
|---|---|---|---|
| Kuasa dinamik | Apabila isyarat bertukar antara 0 dan 1 | Mengecas dan menyahcas kapasitor kecil | Meningkat apabila penukaran dan jam meningkat |
| Kuasa litar pintas | Untuk masa yang singkat, semasa pintu bertukar | NMOS dan PMOS sebahagiannya bersama-sama | Kuasa tambahan digunakan semasa perubahan |
| Kuasa kebocoran | Walaupun isyarat tidak bertukar | Arus kecil yang mengalir melalui transistor | Menjadi asas pada saiz yang sangat kecil |
Mekanisme Kegagalan dalam Teknologi CMOS
Peranti CMOS boleh gagal melalui selak, kerosakan ESD, penuaan jangka panjang dan haus sambungan logam. Latch-up berlaku apabila laluan PNPN parasit di dalam cip dihidupkan dan mencipta sambungan rintangan rendah antara VCC dan tanah; Kenalan telaga yang kuat, cincin pelindung dan jarak susun atur yang mencukupi membantu menindasnya. ESD (nyahcas elektrostatik) boleh menumbuk melalui oksida pintu nipis dan persimpangan apabila lonjakan voltan pantas mengenai pin, jadi pad I/O biasanya termasuk pengapit khusus dan rangkaian perlindungan berasaskan diod. Lama kelamaan, parameter transistor anjakan suntikan BTI dan pembawa panas, dan ketumpatan arus yang berlebihan boleh mencetuskan elektromigrasi yang melemahkan atau memecahkan garisan logam.
Blok Binaan Digital dalam Teknologi CMOS
• Pintu logik asas seperti penyongsang, NAND, NOR dan XOR dibina daripada transistor CMOS.
• Elemen berjujukan seperti selak dan selipar memegang dan mengemas kini bit data digital.
• Blok laluan data, termasuk penambah, pemultipleks, penukar dan kaunter, dibentuk dengan menggabungkan banyak pintu CMOS.
• Blok memori seperti sel SRAM dikumpulkan ke dalam tatasusunan untuk storan kecil pada cip.
• Sel standard ialah blok logik CMOS pra-reka bentuk yang digunakan semula oleh alatan digital merentasi cip.
• Sistem digital yang besar, termasuk CPU, pengawal dan pemecut tersuai, dicipta dengan menghubungkan banyak sel standard dan blok memori bersama-sama dalam teknologi CMOS.
Litar Analog dan RF dalam Teknologi CMOS
Teknologi CMOS tidak terhad kepada logik digital. Ia juga boleh digunakan untuk membina litar analog yang berfungsi dengan isyarat berterusan:
• Blok seperti penguat, pembanding dan rujukan voltan diperbuat daripada transistor CMOS dan komponen pasif.
• Litar ini membantu mengerasa, membentuk dan mengawal isyarat sebelum atau selepas pemprosesan digital.
CMOS juga boleh menyokong litar RF (frekuensi radio):
• Penguat bunyi rendah, pengadun dan pengayun boleh dilaksanakan dalam proses CMOS yang sama yang digunakan untuk logik digital.
• Apabila blok analog, RF dan digital digabungkan pada satu cip, teknologi CMOS membolehkan penyelesaian isyarat campuran atau RF system-on-chip yang mengendalikan kedua-dua pemprosesan isyarat dan komunikasi pada satu dadu.
Aplikasi Teknologi CMOS
| Kawasan Permohonan | Peranan CMOS Utama | Contoh Peranti |
|---|---|---|
| Pemproses | Logik dan kawalan digital | Pemproses aplikasi, mikropengawal |
| Memori | Penyimpanan data menggunakan SRAM, flash dan lain-lain | Memori cache, denyar terbenam |
| Penderia imej | Tatasusunan piksel aktif dan litar bacaan | Kamera telefon pintar, kamera web |
| Antara muka analog | Penguat, ADC dan DAC | Antara muka sensor, codec audio |
| RF dan wayarles | Bahagian hadapan RF dan pengayun tempatan | Wi-Fi, Bluetooth, transceiver selular |
Kesimpulannya
CMOS menyokong ketumpatan transistor tinggi, kuasa statik rendah dan pensuisan pantas dalam litar bersepadu moden. Ia membina pintu logik, blok memori dan sistem digital yang besar, sambil turut menyokong litar analog dan RF pada cip yang sama. Apabila penskalaan berterusan, kebocoran, kesan saluran pendek dan variasi peranti meningkat, jadi struktur yang lebih baharu seperti FinFET dan pintu gerbang di sekeliling digunakan.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
Apakah perbezaan antara CMOS n-well, p-well dan twin-well?
n-well membina PMOS dalam n-telaga, p-well membina NMOS dalam p-well, dan twin-well menggunakan kedua-duanya untuk kawalan tingkah laku transistor yang lebih baik.
Mengapakah cip CMOS menggunakan berbilang lapisan logam?
Untuk menyambungkan lebih banyak isyarat, mengurangkan kesesakan penghalaan dan meningkatkan kecekapan pendawaian merentasi cip.
Apakah kesan badan dalam transistor CMOS?
Ia adalah perubahan dalam voltan ambang yang disebabkan oleh perbezaan voltan antara sumber dan badan transistor.
Apakah kapasitor penyahgandingan dalam cip CMOS?
Mereka menstabilkan bekalan kuasa dengan mengurangkan penurunan voltan dan bunyi bising semasa bertukar.
Mengapakah CMOS memerlukan cincin pelindung dan pelindung?
Untuk mengurangkan gandingan bunyi dan mengelakkan gangguan antara kawasan litar sensitif dan bising.
Bagaimanakah SRAM berbeza daripada DRAM dan denyar dalam CMOS?
SRAM pantas tetapi bersaiz lebih besar, DRAM lebih padat tetapi memerlukan penyegaran, dan denyar menyimpan data walaupun tanpa kuasa.