Комплементарный металл-оксид-полупроводник ( CMOS, произносится как «see-moss»), также известный как металл-оксид-полупроводник с комплементарной симметрией ( COS-MOS ), представляет собой тип полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) процесс изготовления, в котором используются дополнительные и симметричные пары полевых МОП - транзисторов p-типа и n-типа для логических функций. [1] Технология CMOS используется для создания микросхем интегральных схем (IC), включая микропроцессоры , микроконтроллеры , микросхемы памяти (включая CMOS BIOS) и другие цифровые логические схемы. Технология CMOS также используется для аналоговых схем, таких как датчики изображения ( CMOS-датчики ), преобразователи данных , RF-схемы ( RF CMOS ) и высокоинтегрированные приемопередатчики для многих типов связи.
Мохамед М. Аталла и Давон Канг изобрели МОП-транзистор в Bell Labs в 1959 году, а затем продемонстрировали процессы изготовления PMOS ( МОП p-типа) и NMOS ( МОП n-типа) в 1960 году. Эти процессы позже были объединены и адаптированы в дополнительные Процесс MOS (CMOS), разработанный Chih-Tang Sah и Frank Wanlass из Fairchild Semiconductor в 1963 году. RCA коммерциализировала технологию под торговой маркой «COS-MOS» в конце 1960-х, вынудив других производителей найти другое название, что привело к превращению «CMOS» стандартное название технологии к началу 1970-х годов. CMOS в конечном итоге обогнала NMOS как доминирующий процесс изготовления MOSFET для микросхем очень крупномасштабной интеграции (VLSI) в 1980-х годах, одновременно заменив более раннюю технологию транзисторно-транзисторной логики (TTL). КМОП с тех пор остается стандартным процессом изготовления полупроводниковых устройств MOSFET в микросхемах СБИС. По состоянию на 2011 год [Обновить]99% микросхем IC, включая большинство цифровых , аналоговых и смешанных микросхем, производятся с использованием технологии CMOS. [2]
Двумя важными характеристиками КМОП-устройств являются высокая помехоустойчивость и низкое статическое энергопотребление . [3] Поскольку один транзистор пары MOSFET всегда выключен, последовательная комбинация потребляет значительную мощность только на мгновение во время переключения между включенным и выключенным состояниями. Следовательно, устройства CMOS не производят столько отработанного тепла, как другие формы логики, такие как логика NMOS или транзисторно-транзисторная логика (TTL), которые обычно имеют некоторый постоянный ток, даже когда они не меняют состояние. Эти характеристики позволяют КМОП интегрировать в микросхему высокую плотность логических функций. В первую очередь по этой причине CMOS стала наиболее широко используемой технологией, которая была реализована в микросхемах VLSI.
Выражение «металл – оксид – полупроводник» относится к физической структуре полевых МОП транзисторов , в которых металлический электрод затвора помещен поверх оксидного изолятора, который, в свою очередь, находится поверх полупроводникового материала . Когда-то использовался алюминий, но теперь это поликремний . Другие металлические ворота вернулись с появлением диэлектрических материалов с высоким κ в процессе CMOS, как заявили IBM и Intel для узла 45 нанометров и меньших размеров. [4]
Технические подробности
«CMOS» относится как к конкретному стилю проектирования цифровых схем, так и к семейству процессов, используемых для реализации этой схемы на интегральных схемах (микросхемах). Схема CMOS рассеивает меньше энергии, чем логические семейства с резистивной нагрузкой. Поскольку это преимущество увеличивалось и становилось все более важным, процессы и варианты КМОП стали доминировать, поэтому подавляющее большинство современных производств интегральных схем основано на процессах КМОП. [5] CMOS-логика потребляет в 7 раз меньше энергии, чем логика NMOS , [6] и примерно в 100 000 раз меньше энергии, чем биполярная транзисторно-транзисторная логика (TTL). [7] [8]
В КМОП-схемах используется комбинация металл-оксидно-полупроводниковых полевых транзисторов p-типа и n-типа (MOSFET) для реализации логических вентилей и других цифровых схем. Хотя логика КМОП может быть реализована с помощью дискретных устройств для демонстрации, коммерческие изделия КМОП представляют собой интегральные схемы, состоящие из миллиардов транзисторов обоих типов на прямоугольном куске кремния площадью от 10 до 400 мм 2 .
CMOS всегда использует все полевые МОП - транзисторы в режиме улучшения (другими словами, нулевое напряжение затвор-исток выключает транзистор).
История
Принцип дополнительной симметрии впервые был введен Джорджем Шиклаем в 1953 году, который затем обсудил несколько дополнительных биполярных схем. Пол Веймер из RCA изобрел в 1962 году дополнительные схемы TFT , близких родственников CMOS. Он изобрел дополнительные триггерные и инверторные схемы, но не работал с более сложной дополнительной логикой. Он был первым, кто смог соединить p-канальные и n-канальные тонкопленочные транзисторы на одной и той же подложке. Три года назад Джон Т. Уоллмарк и Сэнфорд М. Маркус опубликовали множество сложных логических функций, реализованных в виде интегральных схем с использованием полевых транзисторов , включая дополнительные схемы памяти. Фрэнк Ванласс был знаком с работой, проделанной Веймером в RCA. [9] [10] [11] [12] [13] [14]
МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор, или МОП - транзистор) был изобретен Mohamed М. Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 г. Были первоначально два типа MOSFET процессов изготовления , МОП ( р-типа МОП) и NMOS ( МОП n-типа ). [15] Оба типа были разработаны Аталлой и Кангом, когда они первоначально изобрели полевой МОП-транзистор. В 1960 году были изготовлены как PMOS, так и NMOS-устройства с длиной затвора 20 мкм, а затем 10 мкм . [16] [17] В то время как MOSFET изначально игнорировался и игнорировался. Bell Labs в пользу биполярных транзисторов , [16] изобретение MOSFET вызвало значительный интерес в Fairchild Semiconductor . [15] Основываясь на работе Аталлы, [18] Чих-Тан Сах представил MOS-технологию компании Fairchild с помощью своего MOS-управляемого тетрода, изготовленного в конце 1960 года. [15]
Чих-Танг Сах и Фрэнк Ванласс из Fairchild разработали новый тип логики MOSFET, сочетающий в себе процессы PMOS и NMOS, названный дополнительным MOS (CMOS) . В феврале 1963 года они опубликовали изобретение в исследовательской статье . [19] [20] Wanlass позже подала патент США 3,356,858 на КМОП - схемы в июне 1963 года, и это было предоставлено в 1967 г. В обеих научно - исследовательской работе и патенте , изготовление устройств CM было указан, на основании термического окисления в кремниевая подложка для получения слоя диоксида кремния, расположенного между контактом стока и контактом истока. [21] [20]
CMOS была коммерциализирована RCA в конце 1960-х годов. RCA приняла КМОП для проектирования интегральных схем (ИС), разработав схемы КМОП для компьютера ВВС в 1965 году, а затем 288- битную микросхему памяти CMOS SRAM в 1968 году. [19] RCA также использовала КМОП для своих интегральных схем серии 4000. в 1968 году, начав с процесса производства полупроводников толщиной 20 мкм, а затем постепенно перейдя на процесс 10 мкм в течение следующих нескольких лет. [22]
Технология CMOS изначально игнорировалась американской полупроводниковой промышленностью в пользу NMOS, которая в то время была более мощной. Однако КМОП была быстро принята и усовершенствована японскими производителями полупроводников из-за ее низкого энергопотребления, что привело к развитию японской полупроводниковой промышленности. [23] В 1969 году компания Toshiba разработала C²MOS (Clocked CMOS), схемную технологию с более низким энергопотреблением и более высокой скоростью работы, чем обычная CMOS. Toshiba использовала свою технологию C²MOS для разработки микросхемы крупномасштабной интеграции (LSI) для компании Sharp Elsi. Карманный миниатюрный светодиодный калькулятор , разработанный в 1971 году и выпущенный в 1972 году. [24] Сува Сейкоша (ныне Seiko Epson ) начал разработку КМОП-микросхемы для кварцевых часов Seiko в 1969 году и начал массовое производство с запуском Seiko Analog Quartz. 38SQW в 1971 году. [25] Первым массовым потребительским электронным продуктом на КМОП- технологии были цифровые часы Hamilton Pulsar «Wrist Computer», выпущенные в 1970 году. [26] Из-за низкого энергопотребления логика КМОП широко использовалась в калькуляторах и калькуляторах. часы с 1970-х годов. [6]
Самые ранние микропроцессоры в начале 1970-х годов были процессорами PMOS, которые первоначально доминировали в индустрии ранних микропроцессоров . К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. [27] КМОП-микропроцессоры были представлены в 1975 году в Intersil 6100 , [27] и RCA CDP 1801 . [28] Однако процессоры CMOS не стали доминирующими до 1980-х годов. [27]
CMOS изначально была медленнее, чем логика NMOS , поэтому NMOS более широко использовалась для компьютеров в 1970-х годах. [6] Intel 5101 (1 кб SRAM ) чип памяти CMOS (1974) имел время доступа 800 нс , [29] [30] , тогда как самый быстрый чип NMOS в то время, Intel 2147 (4 кб SRAM) HMOS памяти чип (1976), имел время доступа 55/70 нс. [6] [30] В 1978 году исследовательская группа Hitachi под руководством Тошиаки Масухара представила процесс Hi-CMOS с двумя лунками с микросхемой памяти HM6147 (4 КБ SRAM), изготовленной по технологии 3 мкм . [6] [31] [32] Чип Hitachi HM6147 смог достичь производительности (55/70 нс) чипа Intel 2147 HMOS, в то время как HM6147 также потреблял значительно меньше энергии (15 мА ), чем 2147 (110 мА). Обладая сопоставимой производительностью и гораздо меньшим энергопотреблением, двухлуночный CMOS-процесс в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютеров в 1980-х годах. [6]
В 1980-х годах микропроцессоры CMOS обогнали микропроцессоры NMOS. [27] НАСА «ы Галилео космический аппарат, посланный на орбиту Юпитера в 1989 году, использовали RCA 1802 CMOS микропроцессор в связи с низким потреблением энергии. [26]
Intel представила процесс производства полупроводниковых КМОП- устройств размером 1,5 мкм в 1983 году. [33] В середине 1980-х Биджан Давари из IBM разработал высокопроизводительную низковольтную КМОП-технологию глубокой субмикронной области, которая позволила разрабатывать более быстрые компьютеры. а также портативные компьютеры и портативная электроника с батарейным питанием . [34] В 1988 году Давари возглавил команду IBM, которая продемонстрировала высокопроизводительный 250-нанометровый процесс CMOS. [35]
Fujitsu коммерциализировала процесс 700 нм CMOS в 1987 году [33], а затем Hitachi, Mitsubishi Electric , NEC и Toshiba коммерциализировали 500 нм CMOS в 1989 году. [36] В 1993 году Sony ввела в продажу процесс CMOS 350 нм , в то время как Hitachi и NEC выпустили 250 нм. нм CMOS. Hitachi представила процесс 160 нм CMOS в 1995 году, затем Mitsubishi представила 150 нм CMOS в 1996 году, а затем Samsung Electronics представила 140 нм в 1999 году. [36]
В 2000 году Гертеж Сингх Санду и Чынг Т. Доан в Micron Technology изобретены осаждения атомный слой высокого К диэлектрические пленки , что приводит к развитию экономически эффективной 90 нм КМОП - процесс. [34] [37] Toshiba и Sony разработали 65-нм CMOS-процесс в 2002 году [38], а затем TSMC инициировала разработку 45-нм CMOS-логики в 2004 году. [39] Разработка двойного шага паттерна Гуртеем Сингхом Сандху из Micron Технология привела к разработке КМОП класса 30 нм в 2000-х годах. [34]
CMOS используется в большинстве современных устройств LSI и VLSI . [6] По состоянию на 2010 год, процессоры с наилучшей производительностью на ватт каждый год были статическими КМОП- логиками с 1976 года. [ Требуется цитата ] По состоянию на 2019 год планарная КМОП-технология по-прежнему является наиболее распространенной формой производства полупроводниковых устройств, но постепенно ее используют. заменена неплоской технологией FinFET , которая позволяет изготавливать полупроводниковые узлы размером менее 20 нм . [40]
Инверсия
КМОП-схемы построены таким образом, что все металлооксидно-полупроводниковые (PMOS) транзисторы P-типа должны иметь вход либо от источника напряжения, либо от другого PMOS-транзистора. Точно так же все транзисторы NMOS должны иметь вход либо от земли, либо от другого транзистора NMOS. Состав PMOS-транзистора создает низкое сопротивление между его контактами истока и стока при приложении низкого напряжения затвора и высокое сопротивление при приложении высокого напряжения затвора. С другой стороны, состав NMOS-транзистора создает высокое сопротивление между истоком и стоком при приложении низкого напряжения затвора и низкое сопротивление при приложении высокого напряжения затвора. CMOS обеспечивает снижение тока, дополняя каждый nMOSFET полевым pMOSFET и соединяя оба затвора и оба стока вместе. Высокое напряжение на затворах заставит nMOSFET проводить, а pMOSFET - не проводить, в то время как низкое напряжение на затворах вызывает обратное. Такое расположение значительно снижает потребление энергии и тепловыделение. Однако во время переключения оба полевых МОП-транзистора непродолжительное время работают, когда напряжение затвора переходит из одного состояния в другое. Это вызывает кратковременный всплеск энергопотребления и становится серьезной проблемой на высоких частотах.
На соседнем изображении показано, что происходит, когда вход подключен как к транзистору PMOS (верхняя часть диаграммы), так и к транзистору NMOS (нижняя часть диаграммы). Когда напряжение на входе A низкое, канал транзистора NMOS находится в состоянии высокого сопротивления. Это ограничивает ток, который может течь от Q к земле. Канал транзистора PMOS находится в состоянии низкого сопротивления, и от источника питания к выходу может протекать гораздо больший ток. Поскольку сопротивление между питающим напряжением и Q невелико, падение напряжения между питающим напряжением и Q из-за тока, потребляемого от Q, невелико. Таким образом, на выходе регистрируется высокое напряжение.
С другой стороны, когда напряжение на входе A высокое, транзистор PMOS находится в состоянии ВЫКЛ (высокое сопротивление), поэтому он ограничивает ток, протекающий от положительного источника питания к выходу, в то время как транзистор NMOS находится в состоянии ВКЛ ( низкое сопротивление) состояние, позволяющее выводить сток на землю. Поскольку сопротивление между Q и землей невелико, падение напряжения из-за тока, протекающего через Q, при размещении Q над землей невелико. Это низкое падение приводит к тому, что на выходе регистрируется низкое напряжение.
Короче говоря, выходы транзисторов PMOS и NMOS дополняют друг друга, так что, когда на входе низкий уровень, на выходе высокий уровень, а когда на входе высокий уровень, на выходе низкий уровень. Из-за такого поведения входа и выхода выход схемы CMOS является обратным входу.
Контакты источника питания
Контакты источника питания для CMOS называются V DD и V SS или V CC и Земля (GND) в зависимости от производителя. V DD и V SS являются переходами из обычных схем МОП и обозначают источники стока и истока . [41] Это не относится непосредственно к CMOS, поскольку оба источника действительно являются источниками. V CC и Ground являются переносом из логики TTL, и эта номенклатура была сохранена с введением линейки 54C / 74C CMOS.
Двойственность
Важной характеристикой схемы CMOS является двойственность, которая существует между ее транзисторами PMOS и транзисторами NMOS. Схема CMOS создана для того, чтобы всегда существовать путь от выхода к источнику питания или к земле. Для этого набор всех путей к источнику напряжения должен быть дополнением набора всех путей к земле. Этого можно легко добиться, определив одно в терминах НЕ другого. В соответствии с логикой, основанной на законах Де Моргана, параллельно включенные PMOS-транзисторы имеют соответствующие последовательно включенные NMOS-транзисторы, в то время как последовательно включенные PMOS-транзисторы имеют соответствующие параллельные NMOS-транзисторы.
Логика
Более сложные логические функции, например, включающие вентили И и ИЛИ, требуют манипулирования путями между вентилями для представления логики. Когда путь состоит из двух последовательно соединенных транзисторов, оба транзистора должны иметь низкое сопротивление по отношению к соответствующему напряжению питания, моделируя логическое И. Когда путь состоит из двух параллельно включенных транзисторов, один или оба транзистора должны иметь низкое сопротивление для подключения напряжения питания к выходу, моделируя ИЛИ.
Показанный на правой является принципиальной схемой из логического элемента в КМОП - логики. Если оба входа A и B имеют высокий уровень, то оба транзистора NMOS (нижняя половина диаграммы) будут проводить, ни один из транзисторов PMOS (верхняя половина) не будет проводить, и между выходом и V будет установлен токопроводящий путь. ss (земля), что снижает уровень выходного сигнала. Если на обоих входах A и B низкий уровень, то ни один из транзисторов NMOS не будет проводить, в то время как оба транзистора PMOS будут проводить, устанавливая токопроводящий путь между выходом и V dd (источником напряжения), обеспечивая высокий уровень на выходе. Если на одном из входов A или B низкий уровень, один из транзисторов NMOS не будет проводить, один из транзисторов PMOS будет проводить, и между выходом и V dd (источником напряжения) будет установлен токопроводящий путь , в результате чего на выходе будет высокий уровень. Как только конфигурации из двух входов , что приводит к низкому выходу является , когда оба являются высокими, эта схема реализует NAND (И - НЕ) логический вентиль.
Преимущество CMOS перед логикой NMOS состоит в том, что переходы выходного сигнала с низкого на высокий и с высокого на низкий происходят быстро, поскольку подтягивающие транзисторы (PMOS) имеют низкое сопротивление при включении, в отличие от нагрузочных резисторов в логике NMOS. Кроме того, выходной сигнал переключает полное напряжение между нижним и верхним рельсами. Этот сильный, почти симметричный отклик также делает CMOS более устойчивым к шумам.
См. В разделе « Логические усилия» метод расчета задержки в схеме CMOS.
Пример: логический элемент NAND в физической компоновке
В этом примере показано логическое устройство NAND в виде физического представления в том виде, в котором оно будет изготовлено. Перспектива физического макета - это "вид с высоты птичьего полета" стопки слоев. Схема построена на подложке P-типа . Поликристаллического кремния , диффузия и н-а называют «базовыми слоями» и фактически вставлены в желобах Р-типа подложки. (См. Шаги с 1 по 6 на схеме процесса внизу справа) Контакты проникают через изолирующий слой между основными слоями и первым слоем металла (metal1), обеспечивая соединение.
Входы в NAND (показаны зеленым цветом) выполнены из поликремния. Транзисторы (устройства) образованы пересечением поликремния и диффузии; Диффузия N для устройства N и диффузия P для устройства P (показано лососевым и желтым цветом соответственно). Выходы («out») соединены вместе в металле (показано голубым цветом). Соединения между металлом и поликремнием или диффузия осуществляются через контакты (показаны черными квадратами). Физическое расположение пример соответствует NAND логической схемы , приведенной в предыдущем примере.
Устройство N изготавливается на подложке P-типа, в то время как устройство P производится в лунке N-типа (n-лунке). «Отвод» субстрата P-типа подключается к V SS, а n- луночный отвод N-типа подключается к V DD для предотвращения защелкивания .
Мощность: переключение и утечка
Логика CMOS рассеивает меньше энергии, чем логические схемы NMOS, потому что CMOS рассеивает мощность только при переключении («динамическая мощность»). На типичной ASIC в современном 90-нанометровом процессе переключение вывода может занять 120 пикосекунд и происходит каждые десять наносекунд. Логика NMOS рассеивает мощность всякий раз, когда транзистор включен, потому что есть путь тока от V dd к V ss через нагрузочный резистор и сеть n-типа.
Статические вентили CMOS очень энергоэффективны, потому что они рассеивают почти нулевую мощность в режиме ожидания. Раньше энергопотребление КМОП-устройств не было главной проблемой при разработке микросхем. Такие факторы, как скорость и площадь, преобладали в параметрах конструкции. По мере того, как технология CMOS опускалась ниже субмикронного уровня, потребление энергии на единицу площади чипа значительно выросло.
В широком смысле, рассеяние мощности в схемах CMOS происходит из-за двух компонентов, статических и динамических:
Статическое рассеивание
И NMOS, и PMOS транзисторы имеют пороговое напряжение затвор-исток , ниже которого ток (называемый подпороговым током) через устройство экспоненциально падает. Исторически сложилось так, что конструкции КМОП работали при напряжениях питания, намного превышающих их пороговые напряжения (V dd могло быть 5 В, а V th для NMOS и PMOS могло быть 700 мВ). Особым типом транзистора, используемого в некоторых схемах КМОП, является собственный транзистор с почти нулевым пороговым напряжением .
SiO 2 - хороший изолятор, но на очень малых уровнях толщины электроны могут туннелировать через очень тонкую изоляцию; вероятность экспоненциально спадает с толщиной оксида. Туннельный ток становится очень важным для транзисторов с технологией менее 130 нм с оксидами затвора 20 Å или тоньше.
Небольшие токи обратной утечки образуются из-за образования обратного смещения между диффузионными областями и лунками (например, диффузия p-типа по сравнению с n-лункой), лунками и субстратом (например, n-лункой по сравнению с p-субстратом). В современных технологических процессах утечка диодов очень мала по сравнению с подпороговыми и туннельными токами, поэтому ими можно пренебречь при расчетах мощности.
Если соотношения не совпадают, то могут быть разные токи PMOS и NMOS; это может привести к дисбалансу и, таким образом, неправильному току заставит CMOS нагреваться и излишне рассеивать мощность. Кроме того, недавние исследования показали, что мощность утечки уменьшается из-за эффектов старения, поскольку устройства становятся медленнее. [42]
Динамическое рассеяние
Зарядка и разряд нагрузочных емкостей
Цепи КМОП рассеивают мощность за счет зарядки различных емкостей нагрузки (в основном емкости затвора и провода, но также емкости стока и некоторых емкостей истока) всякий раз, когда они переключаются. За один полный цикл логики КМОП ток течет от V DD к емкости нагрузки для ее зарядки, а затем течет от заряженной емкости нагрузки (C L ) на землю во время разряда. Таким образом, за один полный цикл заряда / разряда общее количество Q = C L V DD передается с V DD на землю. Умножьте на частоту переключения емкости нагрузки, чтобы получить используемый ток, и снова умножьте на среднее напряжение, чтобы получить характеристическую мощность переключения, рассеиваемую устройством CMOS:.
Поскольку большинство ворот не работают / переключаются в каждом тактовом цикле , они часто сопровождаются фактором, называемый фактором активности. Теперь динамическое рассеяние мощности можно переписать как.
У часов в системе коэффициент активности α = 1, так как он растет и падает каждый цикл. Большинство данных имеют коэффициент активности 0,1. [43] Если правильная емкость нагрузки оценивается на узле вместе с его коэффициентом активности, динамическое рассеивание мощности на этом узле может быть эффективно рассчитано.
Поскольку существует конечное время нарастания / спада как для pMOS, так и для nMOS, во время перехода, например, из выключенного состояния во включенное, оба транзистора будут включены в течение небольшого периода времени, в течение которого ток найдет путь непосредственно от V DD до земля, тем самым создавая ток короткого замыкания . Рассеиваемая мощность при коротком замыкании увеличивается со временем нарастания и спада транзисторов.
Дополнительная форма энергопотребления стала значительной в 1990-х годах, когда провода на кристалле стали уже, а длинные провода стали более резистивными. КМОП-вентили на концах этих резистивных проводов видят медленные входные переходы. В середине этих переходов логические схемы как NMOS, так и PMOS являются частично проводящими, и ток течет напрямую от V DD к V SS . Используемая таким образом мощность называется мощностью лома . Тщательная конструкция, исключающая использование длинных тонких проводов со слабым возбуждением, улучшает этот эффект, но мощность лома может составлять существенную часть мощности динамической КМОП.
Чтобы ускорить разработку, производители перешли на конструкции с более низкими порогами напряжения, но из-за этого современный транзистор NMOS с V th = 200 мВ имеет значительный подпороговый ток утечки . Конструкции (например, настольные процессоры), которые включают большое количество цепей, которые не переключаются активно, по-прежнему потребляют энергию из-за этого тока утечки. Мощность утечки составляет значительную часть от общей мощности, потребляемой такими конструкциями. Многопороговая КМОП-матрица (MTCMOS), которая теперь доступна на литейных предприятиях, является одним из подходов к управлению мощностью утечки. В MTCMOS используются транзисторы с высоким V th , когда скорость переключения не критична, а транзисторы с низким V th используются в цепях, чувствительных к скорости. Дальнейшие технологические достижения, в которых используются еще более тонкие диэлектрики затвора, имеют дополнительный компонент утечки из-за туннелирования тока через чрезвычайно тонкий диэлектрик затвора. Использование диэлектриков с высоким κ вместо диоксида кремния, который является традиционным диэлектриком затвора, обеспечивает аналогичную производительность устройства, но с более толстым изолятором затвора, что позволяет избежать этого тока. Снижение мощности утечки с использованием новых материалов и конструкции системы критически важно для поддержания масштабирования CMOS. [44]
Защита входа
Паразитные транзисторы, присущие структуре CMOS, могут включаться входными сигналами за пределами нормального рабочего диапазона, например электростатическими разрядами или отражениями от линий . В результате защелка может повредить или разрушить устройство CMOS. Для обработки этих сигналов в схемы КМОП включены фиксирующие диоды. В технических паспортах производителей указан максимально допустимый ток, который может протекать через диоды.
Аналоговая CMOS
Помимо цифровых приложений, технология CMOS также используется в аналоговых приложениях. Например, на рынке доступны микросхемы операционных усилителей CMOS . Шлюзы передачи могут использоваться как аналоговые мультиплексоры вместо сигнальных реле . КМОП-технология также широко используется для ВЧ- цепей вплоть до СВЧ в приложениях со смешанными сигналами (аналоговыми и цифровыми). [ необходима цитата ]
RF CMOS
RF CMOS относится к RF схемам ( радиочастотным схемам), которые основаны на технологии интегральных схем CMOS смешанных сигналов . Они широко используются в технологиях беспроводной связи . RF CMOS был разработан Асадом Абиди во время работы в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в конце 1980-х годов. Это изменило способ , в котором были разработаны схемы ВЧ, что приводит к замене дискретных биполярных транзисторов с КМОП интегральных схем в радио приемопередатчиков . [45] Это позволило создать сложные, недорогие и портативные терминалы конечных пользователей и привело к появлению небольших, недорогих, маломощных портативных устройств для широкого спектра систем беспроводной связи. Это сделало возможным общение «в любое время и в любом месте» и помогло совершить беспроводную революцию , что привело к быстрому росту беспроводной индустрии. [46]
Процессоры основной полосы частот [47] [48] и радиопередатчики во всех современных беспроводных сетевых устройствах и мобильных телефонах массово производятся с использованием устройств RF CMOS. [45] РЧ-КМОП-схемы широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковые технологии (например, GPS ), Bluetooth , Wi-Fi , связь ближнего поля (NFC), мобильные сети (например, как 3G и 4G ), наземное вещание и автомобильные радары , среди прочего. [49]
Примеры коммерческих чипов RF CMOS включают беспроводной телефон Intel DECT и чипы 802.11 ( Wi-Fi ), созданные Atheros и другими компаниями. [50] Коммерческие продукты RF CMOS также используются для сетей Bluetooth и беспроводной локальной сети (WLAN). [51] RF CMOS также используется в радиоприемопередатчиках для беспроводных стандартов, таких как GSM , Wi-Fi и Bluetooth, приемопередатчиках для мобильных сетей, таких как 3G, и удаленных устройствах в беспроводных сенсорных сетях (WSN). [52]
Технология RF CMOS имеет решающее значение для современной беспроводной связи, включая беспроводные сети и устройства мобильной связи . Одной из компаний, которая коммерциализировала технологию RF CMOS, была Infineon . Его массовые КМОП- коммутаторы RF продаются более 1 миллиарда единиц ежегодно , а по состоянию на 2018 год их общее количество достигло 5 миллиардов.[Обновить]. [53]
Диапазон температур
Обычные КМОП-устройства работают в диапазоне от -55 ° C до +125 ° C.
Уже в августе 2008 года были теоретические указания на то, что кремниевая CMOS будет работать при температурах до −233 ° C (40 K ). [54] С тех пор рабочие температуры около 40 К были достигнуты с использованием разогнанных процессоров AMD Phenom II с комбинацией охлаждения жидким азотом и жидким гелием . [55]
Одноэлектронные МОП-транзисторы
Сверхмалые (L = 20 нм, W = 20 нм) полевые МОП-транзисторы достигают предела одноэлектронности при работе при криогенных температурах в диапазоне от -269 ° C (4 K ) до примерно -258 ° C (15 K ). Транзистор демонстрирует кулоновскую блокаду из-за постепенного заряда электронов один за другим. Количество электронов, удерживаемых в канале, определяется напряжением на затворе, начиная с заполнения нулевых электронов, и может быть установлено равным одному или нескольким. [56]
Смотрите также
- Датчик активных пикселей (датчик CMOS)
- Помимо CMOS
- CMOS усилитель
- Electric (программное обеспечение) - используется для разметки схем CMOS
- FEOL (front-end-of-line) - первая часть процесса изготовления ИС
- Эквивалент затвора - технологически независимая мера сложности схемы
- HCMOS - высокоскоростной CMOS 1982 г.
- LVCMOS
- Magic (программное обеспечение) - используется для разметки схем CMOS
- Список приложений MOSFET
- sCMOS
- Термическое окисление
Рекомендации
- ^ "Что такое память CMOS?" . Злой Саго . Архивировано 26 сентября 2014 года . Проверено 3 марта 2013 года .
- ^ Войнигеску, Сорин (2013). Высокочастотные интегральные схемы . Издательство Кембриджского университета . п. 164. ISBN 9780521873024.
- ^ Фэирчайлд. Примечание по применению 77. «CMOS, семейство идеальной логики». Архивировано 9 января 2015 г. на Wayback Machine . 1983 г.
- ^ «Архитектура Intel® лидирует в области инноваций в области микроархитектуры» . Intel . Архивировано 29 июня 2011 года . Проверено 2 мая 2018 .
- ^ Бейкер, Р. Джейкоб (2008). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование (второе изд.). Wiley-IEEE. п. XXIX. ISBN 978-0-470-22941-5.
- ^ Б с д е е г «1978: Двухлуночная быстрая CMOS SRAM (Hitachi)» (PDF) . Японский музей истории полупроводников . Архивировано из оригинального (PDF) 5 июля 2019 года . Дата обращения 5 июля 2019 .
- ^ Хиггинс, Ричард Дж. (1983). Электроника с цифровыми и аналоговыми интегральными схемами . Прентис-Холл . п. 101 . ISBN 9780132507042.
Основное различие - мощность: CMOS-вентили могут потреблять примерно в 100 000 раз меньше энергии, чем их эквиваленты TTL!
- ^ Стивенс, Карлин; Деннис, Мэгги (2000). «Время инженерии: изобретение электронных наручных часов» (PDF) . Британский журнал истории науки . Издательство Кембриджского университета . 33 (4): 477–497 (485). DOI : 10.1017 / S0007087400004167 . ISSN 0007-0874 .
- ^ Джордж Клиффорд, Шиклай (1953). «Симметричные свойства транзисторов и их применения». 41 (6). IEEE: 717–724. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media. п. 162. ISBN. 978-3540342588.
- ^ Ричард Аронс (2012). «Промышленные исследования в области микросхем в RCA: первые годы, 1953–1963». 12 (1). IEEE Annals of the History of Computing: 60–73. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ "Устная история Томаса (Тома) Стэнли" (PDF) .
- ^ "Новости IRE и радио-заметки" . Труды ИРЭ . 42 (6): 1027–1043. 1954. DOI : 10.1109 / JRPROC.1954.274784 .
- ^ JT Wallmark; С. М. Маркус (1959). «Интегрированные устройства, использующие логику униполярных транзисторов с прямой связью». ИС-8 (2). IEEE. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь )CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка ) - ^ а б в «1960: Показан металлооксидно-полупроводниковый (МОП) транзистор» . Кремниевый двигатель: хронология полупроводников в компьютерах . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 года .
- ^ а б Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . С. 321–3. ISBN 9783540342588.
- ^ Войнигеску, Сорин (2013). Высокочастотные интегральные схемы . Издательство Кембриджского университета . п. 164. ISBN 978-0521873024.
- ^ Сах, Чжи-Тан (октябрь 1988 г.). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF) . Труды IEEE . 76 (10): 1280–1326 (1290). Bibcode : 1988IEEEP..76.1280S . DOI : 10.1109 / 5.16328 . ISSN 0018-9219 .
Те из нас, кто занимался исследованиями кремниевых материалов и устройств в течение 1956–1960 годов, считали эту успешную попытку группы Bell Labs во главе с Аталлой по стабилизации поверхности кремния самым важным и значительным технологическим достижением, проложившим путь, который привел к технологии кремниевых интегральных схем. разработки на втором этапе и объемы производства на третьем этапе.
- ^ а б «1963: изобретена дополнительная схема МОП-схемы» . Музей истории компьютеров . Дата обращения 6 июля 2019 .
- ^ а б Сах, Чжи-Тан ; Ванласс, Франк (1963). «Нановаттная логика с использованием полевых металлооксидных полупроводниковых триодов». 1963 Международная конференция IEEE по твердотельным схемам. Сборник технических статей . VI : 32–33. DOI : 10.1109 / ISSCC.1963.1157450 .
- ^ Схема дополнительного поля с низкой мощностью в режиме ожидания
- ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . п. 330. ISBN 9783540342588.
- ^ Гилдер, Джордж (1990). Микрокосм: квантовая революция в экономике и технологиях . Саймон и Шустер . стр. 144 -5. ISBN 9780671705923.
- ^ «1972–1973: схемы CMOS LSI для калькуляторов (Sharp и Toshiba)» (PDF) . Японский музей истории полупроводников . Архивировано из оригинального (PDF) на 2019-07-06 . Дата обращения 5 июля 2019 .
- ^ «Начало 1970-х: эволюция схем CMOS LSI для часов» (PDF) . Японский музей истории полупроводников . Архивировано из оригинального (PDF) 6 июля 2019 года . Дата обращения 6 июля 2019 .
- ^ а б "Черепаха транзисторов побеждает в гонке - революция CHM" . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июля 2019 .
- ^ а б в г Кун, Келин (2018). «CMOS и не только CMOS: проблемы масштабирования» . Высокомобильные материалы для приложений CMOS . Издательство Вудхед . п. 1. ISBN 9780081020623.
- ^ «CDP 1800 μP, коммерчески доступный» (PDF) . Микрокомпьютерный дайджест . 2 (4): 1–3. Октябрь 1975 г.
- ^ «Кремниевый затвор MOS 2102A» . Intel . Проверено 27 июня 2019 .
- ^ а б «Хронологический список продуктов Intel. Продукты отсортированы по дате» (PDF) . Музей Intel . Корпорация Intel. Июль 2005. Архивировано из оригинального (PDF) 9 августа 2007 года . Проверено 31 июля 2007 года .
- ^ Масухара, Тошиаки; Минато, Осаму; Сасаки, Тошио; Сакаи, Йошио; Кубо, Масахару; Ясуи, Токумаса (февраль 1978 г.). «Высокоскоростная статическая RAM Hi-CMOS 4K с низким энергопотреблением». 1978 Международная конференция по твердотельным схемам IEEE. Сборник технических статей . XXI : 110–111. DOI : 10.1109 / ISSCC.1978.1155749 . S2CID 30753823 .
- ^ Масухара, Тошиаки; Минато, Осаму; Сакаи, Йоши; Сасаки, Тошио; Кубо, Масахару; Ясуи, Токумаса (сентябрь 1978 г.). «Короткоканальное устройство Hi-CMOS и схемы» . ESSCIRC 78: 4-я Европейская конференция по твердотельным схемам - Сборник технических статей : 131–132.
- ^ а б Джеалоу, Джеффри Карл (10 августа 1990 г.). «Влияние технологии обработки на конструкцию усилителя чувствительности DRAM» (PDF) . CORE . Массачусетский технологический институт . С. 149–166 . Проверено 25 июня 2019 .
- ^ а б в «Получатели премии IEEE Эндрю С. Гроув» . Премия IEEE Эндрю С. Гроув . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Дата обращения 4 июля 2019 .
- ^ Давари, Биджан; и другие. (1988). «Высокопроизводительная КМОП-технология 0,25 мкм». Международная конференция по электронным устройствам . DOI : 10.1109 / IEDM.1988.32749 . S2CID 114078857 .
- ^ а б «Память» . STOL (Интернет-технологии полупроводников) . Проверено 25 июня 2019 .
- ^ Сандху, Гуртей; Доан, Трунг Т. (22 августа 2001 г.). «Аппарат и метод легирования атомным слоем» . Патенты Google . Дата обращения 5 июля 2019 .
- ^ «Toshiba и Sony добились значительных успехов в технологиях обработки полупроводников» . Toshiba . 3 декабря 2002 . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ «Знаменательный год: Годовой отчет TSMC 2004» (PDF) . TSMC . Дата обращения 5 июля 2019 .
- ^ «Глобальный анализ роста рынка технологий FinFET в 2024 году по производителям, регионам, типам и применениям, анализ прогнозов» . Финансовое планирование . 3 июля 2019 . Дата обращения 6 июля 2019 .
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 09 декабря 2011 года . Проверено 25 ноября 2011 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ ALH Мартинес, С. Хуршид и Д. Росси, «Использование старения КМОП для эффективного проектирования микроэлектроники», 26-й Международный симпозиум IEEE 2020 года по онлайн-тестированию и проектированию надежных систем (IOLTS) ieeexplore
- ^ К. Моисеев, А. Колодный и С. Вимер, "Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом синхронизации", ACM Transactions по автоматизации проектирования электронных систем , том 13, выпуск 4, сентябрь 2008 г., ACM
- ^ Хороший обзор методов утечки и уменьшения объясняется в книге Leakage in Nanometer CMOS Technologies, Archived 2011-12-02 at Wayback MachineISBN 0-387-25737-3 .
- ^ а б О'Нил, А. (2008). «Асад Абиди получил признание за работу в области RF-CMOS». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society . 13 (1): 57–58. DOI : 10,1109 / N-SSC.2008.4785694 . ISSN 1098-4232 .
- ^ Данешрад, Бабал; Эльтавил, Ахмед М. (2002). «Интегральные микросхемные технологии для беспроводной связи». Беспроводные мультимедийные сетевые технологии . Международная серия в области инженерии и информатики. Springer США. 524 : 227–244. DOI : 10.1007 / 0-306-47330-5_13 . ISBN 0-7923-8633-7.
- ^ Чен, Вай-Кай (2018). Справочник СБИС . CRC Press . С. 60–2. ISBN 9781420005967.
- ^ Моргадо, Алонсо; Рио, Росио дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Нанометрические КМОП сигма-дельта модуляторы для программно-конфигурируемой радиосвязи . Springer Science & Business Media . п. 1. ISBN 9781461400370.
- ^ Вендрик, Гарри JM (2017). ИС нанометрового КМОП: от основ до ASIC . Springer. п. 243. ISBN. 9783319475974.
- ^ Nathawad, L .; Заргари, М .; Samavati, H .; Mehta, S .; Хейрхаки, А .; Chen, P .; Gong, K .; Вакили-Амини, Б .; Hwang, J .; Chen, M .; Terrovitis, M .; Качиньский, Б .; Limotyrakis, S .; Mack, M .; Gan, H .; Ли, М .; Абдоллахи-Алибейк, Б .; Байтекин, Б .; Онодера, К .; Mendis, S .; Чанг, А .; Jen, S .; Вс, Д .; Вули Б. "20.2: Двухдиапазонный CMOS MIMO Radio SoC для беспроводной локальной сети IEEE 802.11n" (PDF) . Веб-хостинг IEEE Entity . IEEE . Проверено 22 октября +2016 .
- ^ Ольштейн, Кэтрин (весна 2008 г.). «Абиди получает награду IEEE Pederson на ISSCC 2008». SSCC: Новости общества твердотельных схем IEEE . 13 (2): 12. DOI : 10,1109 / N-SSC.2008.4785734 . S2CID 30558989 .
- ^ Оливейра, Жоао; Идет, Жоао (2012). Параметрическое усиление аналогового сигнала в наноразмерных КМОП-технологиях . Springer Science & Business Media . п. 7. ISBN 9781461416708.
- ^ «Компания Infineon достигла вехи вехи в истории коммутатора ВЧ массивной КМОП-матрицы» . EE Times . 20 ноября 2018 . Проверено 26 октября 2019 года .
- ↑ Эдвардс К., «Контроль температуры», Engineering & Technology, 26 июля - 8 августа 2008 г., IET .
- ^ Мурхед, Патрик (15 января 2009 г.). «Бить рекорды с драконами и гелием в пустыне Лас-Вегаса» . blogs.amd.com/patmoorhead. Архивировано из оригинального 15 сентября 2010 года . Проверено 18 сентября 2009 .
- ^ Prati, E .; De Michielis, M .; Belli, M .; Cocco, S .; Fanciulli, M .; Котекар-Патил, Д .; Ruoff, M .; Керн, Д.П .; Wharam, DA; Verduijn, J .; Tettamanzi, GC; Rogge, S .; Roche, B .; Wacquez, R .; Jehl, X .; Винет, М .; Санкер, М. (2012). «Малоэлектронный предел одноэлектронных полупроводниковых металлооксидных полупроводниковых транзисторов n-типа». Нанотехнологии . 23 (21): 215204. arXiv : 1203.4811 . Bibcode : 2012Nanot..23u5204P . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 23/21/215204 . PMID 22552118 . S2CID 206063658 .
дальнейшее чтение
- Бейкер, Р. Джейкоб (2010). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование, третье издание . Ньюарк, Нью-Джерси: Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3.
- Мид, Карвер А .; Конвей, Линн (1980). Введение в системы СБИС . Бостон: Эддисон-Уэсли. ISBN 0-201-04358-0.
- Вендрик, HJM (2017). ИС нанометрового КМОП: от основ до ASIC . Springer. DOI : 10.1007 / 978-3-319-47597-4 . ISBN 978-3-319-47595-0.
- Вест, Нил HE; Харрис, Дэвид М. (2010). CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, Fourth Edition . Бостон: Пирсон / Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0-321-54774-3.
Внешние ссылки
- Описание ворот CMOS и интерактивные иллюстрации
- LASI - это инструмент САПР «общего назначения» для компоновки ИС. Его можно бесплатно загрузить и использовать в качестве инструмента для компоновки КМОП-схем.