CMOS

редактировать
Технология создания интегральных Инвертор CMOS (логический элемент НЕ )

Дополнительный металл - оксид - полупроводник (CMOS ), также известный как металл-оксид-полупроводник с дополнительным симметрией (COS-MOS ), представляет собой тип металла– оксидно-полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) процесс изготовления, в котором используются дополнительные и симметричные пары p-типа и n-типа MOSFET для логики КМОП-технология используется для создания микросхем интегральных схем (IC), в том числе микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти (в том числе CMOS BIOS ) и другие цифровые логики. Технология CMOS также используется для аналоговых, таких как датчики изображения (CMOS-датчики ), преобразователи данных, RF-схемы (RF CMOS ) и высокоинтегрированные трансиверы для людей и видов общения.

Мохамед М. Аталла и Давон Канг изобрели MOSFET в Bell Labs в 1959 году, а действали PMOS (MOS p-типа.) И NMOS (МОП n-типа) процессы производства в 1960 году. Эти процессы были позже объединены и адаптированы в процесс дополнительной МОП (CMOS) Chih-Tang Sah и Фрэнк Ванласс в Fairchild Semiconductor в 1963 году. RCA коммерциализировал систему торговой маркой «COS-MOS» в конце 1960-х, вынудив других производителей искать другое имя, что привело к началу 1970-х годов стандартным названием технологии стала «CMOS». КМОП в конечном итоге вытеснил NMOS как доминирующий процесс изготовления полевых МОП-транзисторов для микросхем очень крупномасштабной интеграции (СБИС) 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 99% микросхем ИС, включая большинство цифровых, аналоговых и ИС со смешанными сигналами, изготавливаются с использованием КМОП-технологии.

Две важные характеристики КМОП-устройств: высокая помехоустойчивость и низкое статическое энергопотребление. Временный один транзистор пары MOSFET всегда включается, последовательная комбинация потребляет значительную мощность только на мгновение переключения между включенным и выключенным состояниями. Следовательно, устройства CMOS не производят столько отходящего тепла, как другие формы, такие как логика NMOS или транзисторно-транзисторная логика (TTL), которые обычно имеют некоторое количество постоянное течение, даже если состояние не меняется. Эти характеристики позволяют объединить CMOS в кристалле высокой плотности логических функций. В первую очередь по этой причине CMOS стала наиболее широко используемой технологией, которая была реализована в микросхемах СБИС.

Фраза «металл - оксид - полупроводник» относится к физической структуре МОП полевых транзисторов, имеющий электрод с металлическим затвором, расположенный поверх оксидный изолятор, который, в свою очередь, находится поверх полупроводникового материала. Алюминий когда-то использовался, но теперь материал поликремний. Другие ворота вернулись с появлением материалов с высокими диэлектриками в процессе CMOS, как было заявлено IBM и Intel для узла 45 нм и меньших размеров.

  • 1 Технические детали
  • 2 История
  • 3 Инверсия
    • 3.1 Контакты источника питания
    • 3.2 Двойственность
    • 3.3 Логика
    • 3.4 Пример: логический элемент NAND в физической схеме
  • 4 Питание: переключение и утечка
    • 4.1 Статическое рассеяние
    • 4.2 Динамическое рассеяние
      • 4.2.1 Заряд и разряд нагрузочных емкостей
  • 5 Защита входа
  • 6 Аналоговый CMOS
    • 6.1 RF CMOS
  • 7 Температурный диапазон
  • 8 Одноэлектронные МОП-транзисторы
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дополнительная литература
  • 12 Внешние ссылки

Технические данные

"CMOS" относится как к конкретному стилю проектирования цифровых, так и к семейству процессов, используемых для реализации этой схемы на интегральных схемах (микросхемах). Схема CMOS рассеивает в меньше энергии, чем логические семейства с резистивными нагрузками. Это преимущество увеличивалось и становилось все более важные процессы и варианты КМОП стали доминировать, поэтому подавляющее большинство современных производств интегральных схем основано на процессах КМОП. Логика CMOS потребляет в 7 раз меньше энергии, чем логика NMOS, и примерно на 100000 раз меньше энергии, чем биполярная транзисторно-транзисторная логика (TTL).

В схемах схемах CMOS используется комбинация полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) p-типа и n-типа для реализации логических вентилей и других цифровых цифровых. Хотя CMOS может быть реализована с помощью дискретных устройств для демонстрации, коммерческие продукты CMOS включают интегральные схемы, состоящие из нескольких транзисторов обоих типов на прямоугольном куске кремния размером от 10 до 400 мм.

CMOS всегда использует все полевые МОП-транзисторы режима улучшения (другими словами, нулевое напряжение затвор-исток выключает транзистор).

История

Принцип дополнительной симметрии впервые был введен Джорджем Шиклаем в 1953 году, который обсудил несколько дополнительных биполярных схем. Пол Веймер, а также в RCA, изобрел в 1962 году TFT дополнительные схемы, близкие родственники CMOS. Он изобрел дополнительные триггеры и схемы инвертора, но не работал с более сложной логикой. Он был, кто смог соединить p-канальные и n-канальные TFT в схему на одной подложке. Фрэнк Ванласс был знаком с работой, проделанной Веймером в RCA.

MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. Первоначально существовало два типа процессов производства MOSFET , PMOS (p-типа MOS) и NMOS (n-type МОС). Оба типа были разработаны Аталлой и Кангом, когда они использовались изобрели полевой МОП-транзистор, в 1960 г. были изготовлены как PMOS, так и устройства NMOS длиной затвора 20 мкм, а затем 10 мкм. Компания Bell Labs упускает из соображений и игнорирует пользу биполярных транзисторов, изобретение MOSFET вызвало значительный интерес в Fairchild Semiconductor. Основываясь на работе Аталлы, Чи-Тан Сах представил MOS-технологию компании Fairchild с помощью своего MOS-Pros тетрода, изготовленного в конце 1960 года.

Новый тип логики MOSFET, объединяющий оба процесса - PMOS и NMOS - были разработаны Chih-Tang Sah и Frank Wanlass в Fairchild, называемые дополнительными MOS (CMOS). В феврале 1963 года они опубликовали изобретение в исследовательской статье. Позднее Ванласс подал патент США 3,356,858 на схему КМОП в июне 1963 года, и он был выдан в 1967 году. Как в исследовательской работе, так и в патенте , производство КМОП-устройств описывалось на основе термического окисления кремниевой подложки с получением слоя диоксида кремния, расположенного между контактом стока и контактом истока.

КМОП была коммерциализирована RCA в конце 1960-х гг. RCA принял КМОП для проектирования интегральных схем (ИС), разработав схемы КМОП для компьютера ВВС в 1965 году, а 288- бит КМОП Микросхема памяти SRAM в 1968 году. RCA также использовала CMOS для своих интегральных схем серии 4000 в 1968 году, начиная с процесса производства полупроводников 20 μm до контроля увеличения до 10 мкм процесс в течение следующих нескольких лет.

Технология CMOS изначально игнорировалась американской полупроводниковой промышленностью в пользу NMOS, которая была более мощной в то время. Однако CMOS была быстро принята и усовершенствована японскими производственными полупроводниками из-за ее низкого энергопотребления, что привело к развитию японской полупроводниковой промышленности. Toshiba разработала C²MOS (Clocked CMOS), схемную технологию с более низким энергопотреблением и более высокую скорость работы, чем у обычных CMOS, в 1969 году. Toshiba использовала свою технологию C²MOS для разработки микросх крупномасштабной интеграции (LSI) для Sharp. Карманный калькулятор Elsi Mini LED , это в 1971 году и выпущенный в 1972 году. Сува Сейкоша (ныне Seiko Epson ) начал использовать CMOS IC чип для кварцевых часов Seiko в 1969 году, серийное производство началось с запуска аналогов кварцевых часов Seiko Аналоговый кварцевый 38SQW в 1971 году. КМОП-потребительской электроникой были цифровые часы Hamilton Pulsar "Wrist Computer", выпущенные в 1970 году. Из-за низкого энергопотребления логика КМОП широко использовалась в калькуляторы и часы с 1970-х.

Самые ранние микропроцессоры в начале 1970-х были процессорами PMOS, которые использовали доминировали в ранних микропроцессорах промышленность. К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. КМОП-микропроцессоры были представлены в 1975 году в моделях Intersil 6100 и RCA CDP 1801. Однако процессоры CMOS не стали доминирующими до 1980-х.

CMOS изначально была медленнее, чем логика NMOS, поэтому NMOS более широко использовалась для компьютеров в 1970-х. Микросхема памяти CMOS Intel 5101 (1 kb SRAM ) (1974) время доступа 800 нс, тогда как самый быстрый чип NMOS в то время микросхема памяти Intel 2147 (4 кб SRAM) HMOS (1976 г. имеет) время доступа 55/70 нс. В 1978 году исследовательская группа Hitachi под руководством Тошиаки Масухара представила двухлуночный процесс Hi-CMOS с микросхемой памятью HM6147 (4 кб SRAM), изготовленной по технологии 3 мкм. Чип Hitachi HM6147 смог достичь производительности (55/70 нс) чипа Intel 2147 HMOS, в том числе HM6147 также потреблял значительно меньше энергии (15 мА ), чем 2147 (110 мА). Обладая сопоставимой производительностью и меньшим энергопотреблением, двухлуночный CMOS-процесс в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютеров в 1980-х.

В 1980-х CMOS-микропроцессоры обогнали его. Микропроцессоры NMOS. Космический аппарат NASA Galileo, отправленный на орбиту Юпитер в 1989 году, использовал микропроцессор CMOS RCA 1802 из-за малой мощности

Intel представила процесс 1,5 мкм для изготовления полупроводниковых устройств CMOS в 1983 году. В середине 1980-х годов Биджан Давари из IBM разработала высокопроизводительную низковольтную глубокую субмикронную КМОП-технология, которая позволила использовать более быстрые компьютеры, а также мобильные компьютеры с питанием от батарей портативная электроника. В 1988 году Давари возглавил команду IBM, которая использовала высокопроизводительный процесс КМОП 250 нм.

Fujitsu коммерциализировала процесс КМОП 700 нм в 1987 году, а затем Hitachi, Mitsubishi Electric, NEC и Toshiba выпустили на рынок КМОП 500 нм в 1989 году. В 1993 году Sony выпустила на рынок 350 нм CMOS, тогда как Hitachi и NEC выпустили на рынок КМОП 250 нм. Hitachi представила процесс КМОП 160 нм в 1995 г., затем Mitsubishi представила КМОП 150 нм в 1996 г., а затем Samsung Electronics представила 140 нм в 1999 г.

В 2000 г. Гуртей Сингх Сандху и Трунг Т. Доан из Micron Technology изобрели осаждение атомных слоев диэлектрических пленок с высоким κ , что привело к разработке экономичного процесса 90 нм КМОП. Toshiba и Sony разработали процесс КМОП 65 нм в 2002 году, а затем TSMC инициировали разрешение логики 45 нм КМОП в 2004 году. Развитие шага двойной узор от Гуртей Сингх Сандху из Micron Technology привел к разработке КМОП класса 30 нм в 2000-х.

КМОП используется в большинстве современных БИС и СБИС устройства. По состоянию на 2010 год ЦП с лучшей производственной ватт каждый год были КМОП статической логикой с 1976 года. По состоянию на 2019 год технология планарной КМОП по-прежнему распространенная форма производства полупроводниковых устройств, но постепенно заменяется неплоской FinFET технологией, которая позволяет изготавливать полупроводниковые узлы меньше 20 нм.

Инверсия

КМОП-схемы сконструированы таким образом, что все транзисторы металл - оксид - полупроводник P-типа (PMOS) должны иметь вход либо от источника напряжения, либо от другого транзистора PMOS. Аналогично, 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 высокое сопротивление между истоком и стоком при приложении низкого напряжения затвора и низкое сопротивление при приложении высокого напряжения. CMOS снижает ток, дополняяя каждый nMOSFET полевым pMOSFET и соединяя оба затвора и оба стока вместе. Высокое напряжение на затворах заставляет nMOSFET проводить, а pMOSFET не проводить, в то время как низкое напряжение на затворах вызывает обратное. Такое расположение снижает потребление энергии и тепловыделение. Однако во время переключения оба полевых МОП-транзистора непродолжительное время работают, поскольку напряжение затвора переходит из одного состояния в другое. Это вызывает кратковременный всплеск энергопотребления и становится серьезной проблемой на высоких частотах.

Статический преобразователь CMOS. Vddи Vssобозначают сток и исток соответственно.

На соседнем изображении показано, что происходит, когда входит как к транзистору PMOS (верхняя часть диаграммы), так и к транзистору NMOS (внизу 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 с низким сопротивлением, и от источника питания к выходу может течь больше тока. Сопротивление между напряжением питания и Q невелико, падение напряжения между напряжением питания 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 будет ограничивать ток, поэтому он будет ограничивать ток, протекающий от положительного источника питания к выходу, в то время как NMOS Транзистор находится в состоянии ВКЛ (низкое сопротивление), разрешая выход от стока к земле. Сопротивление между Q и землей невелико, падение напряжения из-за тока, протекающего через Q, при размещении Q над землей невелико. Это небольшое 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 входа и выхода схемы CMOS является обратным входом.

Контакты источника питания

Контакты источника питания для CMOS называются V DD и V SS или V CC и заземление ( GND) в зависимости от производителя. V DD и V SS являются переходами из обычных схем МОП и обозначают источники стока и истока. Они не являются источником самого CMOS, поскольку оба действительно являются исходными. V CC и Ground являются переходами 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 до источника питания или земли. Для этого набор всех путей к источнику должен быть дополнением к набору всех путей к земле. Этого легко добиться, определить одно в терминах НЕ другого. В соответствии с логикой, основанной на законах Деоргана, параллельно включенные PMOS-транзисторы имеют соответствующие NMOS-транзисторы, последовательно включенные PMOS-транзисторы имеют соответствующие NMOS-транзисторы, включенные параллельно.

Логика

вентиль И-НЕ в логике КМОП

Более сложные логические функции, такие как те, которые включают И и вентиль ИЛИ, требуют манипулирования путями между воротами, чтобы представить логику. Когда путь из двух соединенных транзисторов, оба транзистора должны иметь низкое сопротивление к соответствующему напряжению питания, моделируя логическое И. Когда путь из двух параллельно включенных транзисторов, один или оба транзистора должны иметь низкое сопротивление для подключения напряжения питания к выходу, моделируя ИЛИ.

Справа <метод290>принципиальная схема логического элемента И-НЕ в логике КМОП. 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), понижая выходной сигнал. 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 (источник напряжения), доводя выход до высокого уровня. Если на любом 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., увеличивая выходную мощность. Поскольку единственная конфигурация двух входов, которая приводит к низкому выходу, - это когда оба имеют высокий уровень, эта схема реализует логический вентиль И-НЕ (НЕ И).

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 нагрузки. резисторы 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. Логическое усилие для метода вычисления задержки в схеме CMOS.

Пример: логический элемент NAND в физической схеме

физическая схема схемы NAND. Более крупные области диффузии N-типа и диффузии P-типа являются частью транзисторов. Две меньшие области слева - это отводы для предотвращения защелкивания. Упрощенный процесс изготовления КМОП-инвертора на подложке p-типа в полупроводниковом микропроизводстве. На этапе 1 слои диоксида кремния сначала формируются посредством термического окисления. Примечание. Контакты затвора, истока и стока обычно не находятся в одной плоскости в реальных устройствах, и диаграмма не соответствует Масштаб.

В этом примере показано логическое устройство И-НЕ, нарисованное как физическое представление в том виде, в каком оно будет производиться. Перспектива физического макета - это вид стопки слоев с высоты птичьего полета. Схема построена на подложке P-типа. поликремний, диффузионный и n-лунка называются «базовыми слоями» и фактически вставляются в канавки подложки P-типа. (См. Шаги с 1 по 6 на схеме процесса внизу справа) Контакты проникают через изолирующий слой между базовыми 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). Пример физической схемы соответствует логической схеме NAND, приведенной в предыдущем примере.

Устройство N изготавливается на подложке P-типа, в то время как устройство P изготавливается в лунке N-типа (n-лунке). «Отвод» субстрата P-типа подсоединяется к V SS, а n-луночный отвод N-типа подсоединяется к V DD для предотвращения защелкивания.

Поперечное сечение двух транзисторов в затворе КМОП, в процессе КМОП с N лунками

Питание: переключение и утечка

Логика КМОП рассеивает меньше энергии, чем логические схемы NMOS, поскольку КМОП рассеивает мощность только при переключении («динамическая мощность»). На типичном 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 существует путь тока от V dd до 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, статического и динамического:

Статическое рассеяние

И NMOS, и PMOS транзисторы имеют затвор-исток пороговое напряжение, ниже которого ток (называемый допороговым током) через устройство падает экспоненциально. Исторически сложилось так, что конструкции КМОП работали при напряжениях питания, намного превышающих их пороговые напряжения (V dd могло быть 5 В, а V th как для NMOS, так и для PMOS могло быть 700 мВ). Особым типом транзисторов, используемых в некоторых схемах КМОП, является собственный транзистор, с близким к нулю пороговым напряжением.

SiO 2 - хороший изолятор, но при очень малых уровни толщины электроны могут туннелировать через очень тонкую изоляцию; вероятность экспоненциально падает 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-лунка vs. р-субстрат). 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 снижается из-за эффектов старения, поскольку устройства становятся медленнее.

Динамическое рассеяние

Зарядка и разрядка емкостей нагрузки

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. Следовательно, за один полный цикл заряда / разряда общее количество Q = C LVDDпередается от 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: P = 0,5 CV 2 f {\ displaystyle P = 0,5CV ^ {2} f}P=0.5CV^{2}f.

Поскольку большинство вентилей не срабатывают / переключаются на каждом такте, они часто сопровождаются множителем α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha , называется фактором активности. Теперь динамическое рассеяние мощности может быть переписано как P = α CV 2 f {\ displaystyle P = \ alpha CV ^ {2} f}P = \ alpha CV ^ {2} f .

Часы в системе имеют коэффициент активности α = 1., поскольку он растет и падает каждый цикл. Большинство данных имеют коэффициент активности 0,1. 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 будет путь непосредственно от V DD к земле, что создает 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 конце 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 быть существенной частью мощности динамической КМОП.

Чтобы ускорить проектирование, производители перешли на конструкции, которые имеют более низкие пороги напряжения, но из-за этого современный транзистор NMOS с V th 200 мВ имеет значительную подпороговую утечку. ток. Конструкции (например, настольные процессоры), которые включают огромное 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 (MTCMOS), теперь доступная на литейных предприятиях, является одним из подходов к управлению мощностью утечки. В MTCMOS транзисторы с высоким V th используются, 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 дополнительную составляющую утечки из-за туннелирования тока через чрезвычайно тонкий диэлектрик затвора. Использование диэлектриков с высоким κ вместо диоксида кремния, который является традиционным диэлектриком затвора, обеспечивает аналогичные характеристики 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 КМОП.

Защита входа

Паразитные транзисторы, присущие структуре КМОП, могут включаться входными сигналами, выходящими за пределы нормы рабочий диапазон, например электростатические разряды или отражения линий. В результате фиксация 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 ИС CMOS операционного усилителя. Шлюзы передачи могут использоваться как аналоговые мультиплексоры вместо сигнальных реле. Технология CMOS также широко используется для схем RF вплоть до микроволновых частот, в приложениях смешанного сигнала (аналоговые + цифровые).

RF CMOS

RF CMOS относится к RF-схемам (радиочастотным схемам), которые основаны на технологии смешанных сигналов CMOS-интегральных схем. Они широко используются в беспроводной телекоммуникационной технологии. RF CMOS была разработана Асадом Абиди во время работы в UCLA в конце 1980-х. Это изменило способ проектирования ВЧ-схем, что привело к замене дискретных биполярных транзисторов на интегральные схемы КМОП в радио приемопередатчиках. Это сделало возможным создание сложных, недорогих и портативных терминалов конечных пользователей и привело к появлению небольших, недорогих, маломощных и портативных устройств для широкого спектра систем беспроводной связи. Это позволило осуществлять связь «в любое время и в любом месте» и способствовало осуществлению революции в беспроводной связи, что привело к быстрому росту индустрии беспроводной связи.

процессоры основной полосы частот и радиоприемопередатчики во всех современных беспроводных сетях устройства и мобильные телефоны серийно производятся с использованием устройств RF CMOS. Схемы RF CMOS широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковая технология (например, GPS ), bluetooth, Wi-Fi, связь ближнего поля (NFC), мобильные сети (например, 3G и 4G ), наземные широковещательные и автомобильные радарные приложения, среди прочего.

Примеры коммерческих RF CMOS-чипов включают Беспроводной телефон Intel DECT и чипы 802.11 (Wi-Fi ), созданные Atheros и другими компаниями. Коммерческие продукты RF CMOS также используются для сетей Bluetooth и Wireless LAN (WLAN). RF CMOS также используется в радиопередатчиках для стандартов беспроводной связи, таких как GSM, Wi-Fi и Bluetooth, в приемопередатчиках для мобильных сетей, таких как 3G, и удаленных устройствах в сетях беспроводных датчиков (WSN).

Технология RF CMOS имеет решающее значение для современной беспроводной связи, включая беспроводные сети и устройства мобильной связи. Одной из компаний, коммерциализирующих технологию RF CMOS, была Infineon. Его массовые КМОП ВЧ-переключатели продаются более 1 миллиарда единиц в год, достигнув совокупного количества 5 миллиардов единиц по состоянию на 2018 год.

Диапазон температур

Обычные КМОП-устройства работают в широком диапазоне от –55 ° С до +125 ° С.

Уже в августе 2008 г. имелись теоретические указания на то, что кремниевые КМОП будут работать при температурах до –233 ° C (40 K ). С тех пор рабочие температуры около 40 К были достигнуты с помощью разогнанных процессоров AMD Phenom II с комбинацией охлаждения жидким азотом и жидким гелием.

Одноэлектронные МОП-транзисторы

Ultra small (L = 20 nm, W = 20 nm) MOSFETs achieve the single-electron limit when operated at cryogenic temperature over a range of –269 °C (4 K ) to about –258 °C (15 K ). The transistor displays Coulomb blockade due to progressive charging of electrons one by one. The number of electrons confined in the channel is driven by the gate voltage, starting from an occupation of zero electrons, and it can be set to one or many.

See also

References

Further reading

External links

Wikimedia Commons has media related to CMOS.
  • CMOS gate description and interactive illustrations
  • LASI - это инструмент САПР «общего назначения» для компоновки ИС. Это бесплатная загрузка, которую можно использовать в качестве инструмента компоновки для схем CMOS.
Последняя правка сделана 2021-05-13 11:24:11
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте