CMOS - CMOS

Для использования в других целях см. CMOS (значения).
Инвертор CMOS (a НЕ логический вентиль )

Комплементарный металл – оксид – полупроводник (CMOS), также известен как металл-оксид-полупроводник с дополнительной симметрией (КОСМОС), является разновидностью полевой транзистор металл – оксид – полупроводник (МОП-транзистор) процесс изготовления который использует дополнительные и симметричные пары р-тип и n-тип МОП-транзисторы для логических функций.[1] КМОП-технология используется для построения Интегральная схема (IC) чипы, в том числе микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти (в том числе CMOS BIOS ), и другие цифровая логика схемы. Технология CMOS также используется для аналоговые схемы такие как датчики изображения (CMOS сенсоры ), преобразователи данных, ВЧ схемы (RF CMOS ) и высоко интегрированный трансиверы для многих видов общения.

Мохамед М. Аталла и Давон Канг изобрел MOSFET в Bell Labs в 1959 г., а затем продемонстрировал PMOS (МОП p-типа) и NMOS (n-type MOS) производственные процессы в 1960 году. Эти процессы позже были объединены и адаптированы в дополнительный процесс MOS (CMOS) компанией Чи-Тан Сах и Фрэнк Ванласс в Fairchild Semiconductor в 1963 г. RCA коммерциализировала технологию под торговой маркой «COS-MOS» в конце 1960-х, вынудив других производителей искать другое имя, что привело к тому, что «CMOS» стало стандартным названием для технологии к началу 1970-х. CMOS в конечном итоге обогнала NMOS как доминирующий процесс производства MOSFET для очень крупномасштабная интеграция (VLSI) в 1980-х годах, а также заменили более ранние транзисторно-транзисторная логика (TTL) технология. CMOS с тех пор остается стандартным процессом изготовления MOSFET. полупроводниковые приборы в микросхемах СБИС. По состоянию на 2011 г., 99% микросхем IC, в том числе большинство цифровой, аналог и смешанный сигнал Микросхемы изготавливаются по КМОП-технологии.[2]

Две важные характеристики КМОП-устройств высоки помехозащищенность и низкий статический потребляемая мощность.[3]С одного транзистор пары MOSFET всегда выключены, последовательная комбинация потребляет значительную мощность только на мгновение во время переключения между включенным и выключенным состояниями. Следовательно, устройства CMOS не производят столько отходящее тепло как и другие формы логики, например Логика NMOS или транзисторно-транзисторная логика (TTL), которые обычно имеют постоянный ток, даже если состояние не меняется. Эти характеристики позволяют CMOS объединять в кристалле высокую плотность логических функций. В первую очередь по этой причине CMOS стала наиболее широко используемой технологией для реализации в микросхемах VLSI.

Фраза «металл – оксид – полупроводник» относится к физической структуре МОП. полевые транзисторы, иметь металлические ворота электрод помещен поверх оксидного изолятора, который, в свою очередь, находится поверх полупроводниковый материал. Алюминий когда-то использовался, но теперь материал поликремний. Другие металлические ворота вернулись с появлением диэлектрик с высоким κ материалы в процессе CMOS, как объявили IBM и Intel для 45 нм узел и меньшие размеры.[4]

Технические подробности

Дальнейшая информация: Процессы производства полупроводников

«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 рассеивается меньше мощности чем логические семьи с резистивными нагрузками. Поскольку это преимущество увеличивалось и становилось все более важным, процессы и варианты КМОП стали доминировать, таким образом, подавляющее большинство современных производств интегральных схем основано на процессах КМОП.[5] Логика CMOS потребляет более 7 раз меньше мощности чем Логика NMOS,[6] и примерно в 100000 раз меньше мощности, чем биполярный транзисторно-транзисторная логика (TTL).[7][8]

В схемах CMOS используется комбинация p-типа и n-типа. полевой транзистор металл – оксид – полупроводник (MOSFET) для реализации логические ворота и другие цифровые схемы. 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 прямоугольной части корпуса. кремний от 10 до 400 мм2.

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

История

Дальнейшая информация: МОП-транзистор и Плотность транзистора

Принцип дополнительной симметрии был впервые введен Джордж Шиклай в 1953 году, который затем обсудил несколько дополнительных биполярных схем. Пол Веймер, также на RCA, изобретен в 1962 г. TFT комплементарные схемы, близкий родственник CMOS. Он изобрел дополнительные резкий поворот и инверторные схемы, но не работали в более сложной дополнительной логике. Он был первым, кто смог соединить p-канальные и n-канальные TFT в цепи на одной подложке. Три года назад Джон Т. Уоллмарк и Сэнфорд М. Маркус опубликовали множество сложных логических функций, реализованных в виде интегральных схем с использованием JFET-транзисторы, включая дополнительные схемы памяти. Фрэнк Ванласс был знаком с работой, проделанной Веймером в RCA.[9][10][11][12][13][14]

В МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был изобретен Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. Изначально существовало два типа полевых МОП-транзисторов. производственные процессы, PMOS (р-тип MOS) и NMOS (n-тип МОС).[15] Оба типа были разработаны Аталлой и Кангом, когда они первоначально изобрели полевой МОП-транзистор, производя устройства как PMOS, так и NMOS с 20 мкм а потом 10 мкм длина ворот в 1960 г.[16][17] Хотя MOSFET изначально игнорировался и игнорировался Bell Labs в пользу биполярные транзисторы,[16] изобретение MOSFET вызвало значительный интерес в Fairchild Semiconductor.[15] Основываясь на работе Аталлы,[18] Чи-Тан Сах представил технологию MOS для Fairchild с его MOS-управляемым тетрод Изготовлен в конце 1960 года.[15]

Новый тип логики MOSFET, объединяющий процессы PMOS и NMOS, был разработан Chih-Tang Sah и назвал его дополнительным MOS (CMOS). Фрэнк Ванласс в Fairchild. В феврале 1963 года они опубликовали изобретение в Научно-исследовательская работа.[19][20] Wanlass позже подал Патент США 3,356,858 для схемы CMOS в июне 1963 года, и он был предоставлен в 1967 году. И в исследовательской работе, и в патент было намечено производство КМОП-устройств на основе термическое окисление кремниевой подложки, чтобы получить слой диоксид кремния расположен между контактом стока и контактом истока.[21][20]

CMOS была коммерциализирована RCA в конце 1960-х гг. RCA приняла CMOS для разработки интегральные схемы (ИС), разработка КМОП схем для Воздушные силы компьютер в 1965 году, а затем 288-немного CMOS SRAM микросхема памяти 1968 г.[19] RCA также использовала CMOS для своих Интегральные схемы серии 4000 в 1968 г., начиная с 20 мкм процесс производства полупроводников перед постепенным масштабированием до 10 мкм процесс в течение следующих нескольких лет.[22]

Технология CMOS изначально игнорировалась американцами. полупроводниковая промышленность в пользу NMOS, которая в то время была более мощной. Тем не менее, CMOS была быстро принята и усовершенствована японскими производителями полупроводников из-за ее низкого энергопотребления, что привело к росту японской полупроводниковой промышленности.[23] Toshiba разработали C²MOS (Clocked CMOS), схемотехнику с более низким потребляемая мощность и более высокая скорость работы, чем у обычных CMOS, в 1969 году. Toshiba использовала свою технологию C²MOS для разработки крупномасштабная интеграция (LSI) чип для Sharp Эльси Мини СВЕТОДИОД карманный калькулятор, разработан в 1971 году и выпущен в 1972 году.[24] Сува Сейкоша (сейчас же Сейко Эпсон ) начал разработку микросхемы CMOS IC для Seiko кварцевые часы в 1969 году, а серийное производство началось с запуска Seiko Аналоговые часы Quartz 38SQW 1971 года.[25] Первым массовым выпуском потребительской электроники на КМОП-матрице был Гамильтон Цифровые часы Pulsar "Wrist Computer" 1970 года выпуска.[26] Из-за низкого энергопотребления логика CMOS широко использовалась для калькуляторы и часы с 1970-х гг.[6]

В самые ранние микропроцессоры в начале 1970-х были процессоры PMOS, которые первоначально доминировали в микропроцессор промышленность. К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS.[27] КМОП-микропроцессоры были представлены в 1975 году. Интерсил 6100,[27] и RCA CDP 1801.[28] Однако процессоры CMOS не стали доминирующими до 1980-х годов.[27]

CMOS изначально был медленнее, чем Логика NMOS, поэтому в 1970-х годах NMOS более широко использовалась для компьютеров.[6] В Intel 5101 (1 kb SRAM ) Чип памяти CMOS (1974 г.) имел время доступа из 800 нс,[29][30] тогда как самый быстрый чип NMOS в то время, Intel 2147 (4 кб SRAM) HMOS микросхема памяти (1976 г.), время доступа 55/70 нс[6][30] В 1978 г. Hitachi Исследовательская группа под руководством Тошиаки Масухара представила двухлуночный процесс Hi-CMOS с его HM6147 (4 kb SRAM) микросхема памяти, изготовленная с 3 мкм процесс.[6][31][32] Чип Hitachi HM6147 смог соответствовать производительности (55/70 нс) чипа Intel 2147 HMOS, тогда как HM6147 также потребляет значительно меньше энергии (15 мА ), чем 2147 (110 мА). Обладая сопоставимой производительностью и гораздо меньшим энергопотреблением, двухканальный CMOS процесс в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный. процесс производства полупроводников для компьютеров в 1980-х.[6]

В 1980-х годах микропроцессоры CMOS обогнали микропроцессоры NMOS.[27] НАСА с Галилео космический корабль, отправленный на орбиту Юпитер в 1989 г. использовали RCA 1802 КМОП-микропроцессор из-за низкого энергопотребления.[26]

Intel представила 1,5 мкм процесс для CMOS изготовление полупроводниковых приборов в 1983 г.[33] В середине 1980-х гг. Биджан Давари из IBM разработаны высокопроизводительные, низковольтные, глубоко субмикронный Технология CMOS, которая позволила разрабатывать более быстрые компьютеры, а также портативные компьютеры и на батарейках портативная электроника.[34] В 1988 году Давари возглавил команду IBM, которая продемонстрировала высокую производительность. 250 нм CMOS процесс.[35]

Fujitsu коммерциализировал 700 нм CMOS процесс в 1987 году,[33] а затем Hitachi, Mitsubishi Electric, NEC и Toshiba коммерциализировала 500 нм CMOS в 1989 году.[36] В 1993 г. Sony коммерциализировал 350 нм CMOS процесс, в то время как Hitachi и NEC коммерциализировали 250 нм CMOS. Hitachi представила 160 нм CMOS процесс в 1995 году, затем Mitsubishi представила 150 нм CMOS в 1996 году, а затем Samsung Electronics представлен 140 нм в 1999 г.[36]

В 2000 г. Гуртей Сингх Сандху и Трунг Т. Доан в Микронная технология изобрел осаждение атомного слоя Диэлектрик с высоким κ фильмы, что привело к разработке экономичного 90 нм CMOS процесс.[34][37] Toshiba и Sony разработали 65 нм CMOS процесс в 2002 году,[38] а потом TSMC инициировал разработку 45 нм КМОП-логика в 2004 году.[39] Развитие питча двойной узор Гуртеж Сингх Сандху из Micron Technology привел к разработке 30 нм класс CMOS в 2000-е годы.[34]

CMOS используется в большинстве современных LSI и СБИС устройств.[6] По состоянию на 2010 г. Процессоры с лучшим производительность на ватт каждый год были CMOS статическая логика с 1976 г.[нужна цитата ] По состоянию на 2019 год планарная КМОП-технология по-прежнему является наиболее распространенной формой производства полупроводниковых устройств, но постепенно заменяется неплоской. FinFET технология, которая способна производить полупроводниковые узлы меньше чем 20 нм.[40]

Инверсия

КМОП-схемы построены таким образом, что все Металл – оксид – полупроводник P-типа (PMOS) транзисторы должны иметь вход от источника напряжения или от другого транзистора PMOS. Точно так же все NMOS транзисторы должны иметь вход от земли или от другого транзистора NMOS. Состав транзистора PMOS создает низкий сопротивление между его контактами истока и стока при низком затворе Напряжение прикладывается и имеет 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, поскольку напряжение затвора переходит из одного состояния в другое. Это вызывает кратковременный всплеск энергопотребления и становится серьезной проблемой на высоких частотах.

Статический инвертор CMOS. Vдд и Vсс стоят за слив и исток соответственно.

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 течь гораздо больше тока. 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 будет ограничивать 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 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 поведения входа и выхода выход схемы CMOS является обратным входу.

Контакты источника питания

Смотрите также: Вывод питания IC

Контакты питания для CMOS называются VDD и VСС, или VCC и заземление (GND) в зависимости от производителя. VDD и VСС являются остатками от обычных схем МОП и обозначают слив и источник поставки.[41] Они не относятся непосредственно к CMOS, поскольку оба источника действительно являются исходными. VCC и Земля - ​​это остатки от Логика TTL и эта номенклатура была сохранена с введением линейки КМОП 54C / 74C.

Двойственность

Важной характеристикой схемы CMOS является двойственность, существующая 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 напряжения должен быть дополнять набора всех путей к земле. Этого легко добиться, определив одно в терминах НЕ другого. Из-за Законы де Моргана На основе логики PMOS-транзисторы, включенные параллельно, имеют соответствующие NMOS-транзисторы, включенные последовательно, тогда как PMOS-транзисторы, включенные последовательно, имеют соответствующие NMOS-транзисторы, включенные параллельно.

Логика

Ворота NAND в логике CMOS

Более сложные логические функции, например, включающие И и ИЛИ ворота требуют манипулирования путями между воротами для представления логики. Когда путь состоит из двух последовательно соединенных транзисторов, оба транзистора должны иметь низкое сопротивление 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.

Справа показан принципиальная электрическая схема из Ворота NAND в логике CMOS. Если на обоих входах A и B высокий уровень, тогда оба транзистора NMOS (нижняя половина диаграммы) будут проводить, ни один из транзисторов PMOS (верхняя половина) не будет проводить, и между выходом и выходом будет установлен токопроводящий путь. Vсс (земля), понижая выходной уровень. Если оба входа A и B имеют 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 Vдд (источник напряжения), повышая выходной уровень. 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 выходом будет установлен токопроводящий путь. Vдд (источник напряжения), повышая выходной уровень. Поскольку единственная конфигурация двух входов, которая приводит к низкому выходу, - это когда оба высоки, эта схема реализует NAND (НЕ И) логический вентиль.

Преимущество CMOS над логикой NMOS заключается 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 качается на полную Напряжение между низкими и высокими рельсами. Этот сильный, почти симметричный отклик также делает CMOS более устойчивым к шумам.

Увидеть Логическое усилие для метода расчета задержки в схеме CMOS.

Пример: логический элемент NAND в физической схеме

В физическая планировка схемы NAND. Более крупные области диффузии N-типа и диффузии P-типа являются частью транзисторов. Две меньшие области слева - это метчики для предотвращения отстранение.
Упрощенный процесс изготовления КМОП-инвертора на подложке p-типа в полупроводниковом микротехнологии. На шаге 1 диоксид кремния слои формируются изначально через термическое окисление Примечание. Контакты затвора, истока и стока обычно не находятся в одной плоскости в реальных устройствах, и диаграмма не в масштабе.

Этот пример показывает NAND логическое устройство, нарисованное как физическое представление, как оно будет производиться Перспектива физического макета - это вид стопки слоев с высоты птичьего полета. Схема построена на P-тип субстрат. В поликремний, диффузия 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). В физическая планировка пример соответствует логической схеме И-НЕ, приведенной в предыдущем примере.

Устройство N изготовлено на подложке P-типа, а устройство P изготовлено в N-тип хорошо (н-хорошо). Подложка P-типа «отвод» подключается к VСС а к VDD предотвращать отстранение.

Поперечное сечение двух транзисторов в затворе КМОП в N-луночном процессе КМОП

Мощность: переключение и утечка

Логика CMOS рассеивает меньше энергии, чем логические схемы NMOS, потому что CMOS рассеивает мощность только при переключении («динамическая мощность»). На типичном ASIC в современном 90 нм 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 Vдд к Vсс 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 возрастало.

В широком смысле, рассеяние мощности в схемах CMOS происходит из-за двух компонентов, статических и динамических:

Статическое рассеивание

И NMOS, и PMOS транзисторы имеют затвор-исток. пороговое напряжение, ниже которого текущий (называемый дополнительный порог ток) через устройство падает экспоненциально. Исторически сложилось так, что конструкции КМОП работали при напряжениях питания, намного превышающих их пороговые напряжения (Вдд могло быть 5 В, а Vth как для NMOS, так и для PMOS могло быть 700 мВ). Особым типом транзистора, используемого в некоторых схемах КМОП, является родной транзистор, с близким к нулю пороговое напряжение.

SiO2 является хорошим изолятором, но на очень малых уровнях 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 оксидом 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 подложкой (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, следовательно, 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. [42]

Динамическое рассеяние

Зарядка и разряд нагрузочных емкостей

Цепи CMOS рассеивают мощность, заряжая различные емкости нагрузки (в основном емкость затвора и провода, но также емкость стока и некоторые емкости истока) при каждом их переключении. За один полный цикл логики CMOS ток течет от VDD к емкости нагрузки для ее зарядки, а затем течет от заряженной емкости нагрузки (CL) на землю во время разряда. Таким образом, за один полный цикл заряда / разряда всего Q = CLVDD таким образом переносится из VDD К земле, приземляться. 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 каждый раз такт, 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 VDD на землю, 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 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 непосредственно от VDD к VСС. Используемая таким образом мощность называется лом мощность. 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 разработку, производители перешли на конструкции, которые имеют более низкие пороги напряжения, но из-за этого современный транзистор NMOS с Vth 200 мВ имеет значительную подпороговая утечка текущий. 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 CMOS (MTCMOS), теперь доступный на литейных заводах, является одним из подходов к управлению мощностью утечки. С MTCMOS высокий Vth транзисторы используются, когда скорость переключения не критична, при низком Vth транзисторы используются в цепях, чувствительных к скорости. Дальнейшие технологические достижения, использующие еще более тонкие диэлектрики затвора, имеют дополнительные утечка компонент из-за тока туннелирование через чрезвычайно тонкий диэлектрик затвора. С помощью диэлектрики с высоким КП вместо того диоксид кремния то есть обычный диэлектрик 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 обеспечения масштабирования CMOS.[44]

Защита входа

Паразитные транзисторы, присущие структуре CMOS, могут включаться входными сигналами вне нормального рабочего диапазона, например электростатические разряды или линейные отражения. Результирующий захват 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.

Аналоговый CMOS

Дальнейшая информация: CMOS усилитель и Интегральная схема со смешанными сигналами

Помимо цифровых приложений, технология CMOS также используется в аналог Приложения. Например, есть CMOS операционный усилитель ИС, доступные на рынке. Передаточные ворота может использоваться как аналог мультиплексоры вместо сигнала реле. КМОП-технология также широко используется для РФ цепей вплоть до микроволновых частот, в смешанный сигнал (аналоговые + цифровые) приложения.[нужна цитата ]

RF CMOS

Основная статья: RF CMOS

RF CMOS относится к ВЧ схемы (радиочастота схем), которые основаны на смешанный сигнал КМОП интегральная схема технологии. Они широко используются в беспроводной телекоммуникации технологии. RF CMOS была разработана Асад Абиди во время работы в UCLA в конце 1980-х гг. Это изменило способ проектирования ВЧ-схем, что привело к замене дискретных биполярные транзисторы с интегральными схемами CMOS в радио трансиверы.[45] Это позволило сделать сложные, недорогие и портативные конечный пользователь терминалы и привели к появлению небольших, недорогих, маломощных и портативных устройств для широкого диапазона систем беспроводной связи. Это позволило общаться в любое время и в любом месте и помогло добиться беспроводная революция, что привело к быстрому росту индустрии беспроводной связи.[46]

В процессоры основной полосы частот[47][48] и радиоприемники во всех современных беспроводная сеть устройства и мобильные телефоны производятся серийно с использованием устройств RF CMOS.[45] Схемы RF CMOS широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковое технологии (например, GPS ), блютуз, Wi-Fi, связь ближнего поля (NFC), мобильные сети (такие как 3G и 4G ), земной трансляция, и автомобильный радар приложений, среди прочего.[49]

Примеры коммерческих чипов RF CMOS включают Intel DECT беспроводной телефон и 802.11 (Wi-Fi ) фишки, созданные Atheros и другие компании.[50] Коммерческие КМОП-продукты RF также используются для блютуз и Беспроводная сеть (WLAN) сети.[51] RF CMOS также используется в радиопередатчиках для беспроводных стандартов, таких как GSM, Wi-Fi и Bluetooth, трансиверы для мобильных сетей, таких как 3G, и удаленные устройства в беспроводные сенсорные сети (WSN).[52]

Технология RF CMOS имеет решающее значение для современной беспроводной связи, включая беспроводные сети и мобильная связь устройств. Одной из компаний, коммерциализирующих технологию RF CMOS, была Infineon. Его объемная CMOS РЧ переключатели продать более 1 миллиардов единиц в год, в сумме достигнув 5 млрд единиц, по состоянию на 2018 год.[53]

Диапазон температур

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

Уже в августе 2008 г. были теоретические указания на то, что кремниевая CMOS-матрица будет работать при температурах до –233 ° C (40K ).[54] С тех пор рабочие температуры около 40 К были достигнуты с помощью разгона AMD. Феном II процессоры 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 криогенной температуре в диапазоне –269 ° C (4K ) до примерно –258 ° C (15K ). Транзистор отображает Кулоновская блокада за счет постепенной зарядки электронов один за другим. Количество электронов, удерживаемых в канале, определяется напряжением затвора, начиная с заполнения нуля электронов, и может быть установлено равным одному или нескольким.[56]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Что такое CMOS-память?". Злой саго. В архиве из оригинала 26 сентября 2014 г.. Получено 3 марта 2013.
  2. ^ Войнигеску, Сорин (2013). Высокочастотные интегральные схемы. Издательство Кембриджского университета. п. 164. ISBN  9780521873024.
  3. ^ Fairchild, Приложение 77."CMOS, идеальное семейство логики" В архиве 2015-01-09 в Wayback Machine.1983.
  4. ^ «Архитектура Intel® лидирует в области инноваций в области микроархитектур». Intel. В архиве из оригинала 29 июня 2011 г.. Получено 2 мая 2018.
  5. ^ Бейкер, Р. Джейкоб (2008). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование (Второе изд.). Wiley-IEEE. п. XXIX. ISBN  978-0-470-22941-5.
  6. ^ а б c d е ж г «1978: Двухлуночная быстрая CMOS SRAM (Hitachi)» (PDF). Японский музей истории полупроводников. Архивировано из оригинал (PDF) 5 июля 2019 г.. Получено 5 июля 2019.
  7. ^ Хиггинс, Ричард Дж. (1983). Электроника с цифровыми и аналоговыми интегральными схемами. Prentice-Hall. п.101. ISBN  9780132507042. Основное различие - мощность: CMOS-вентили могут потреблять примерно в 100 000 раз меньше энергии, чем их TTL-эквиваленты!
  8. ^ Стивенс, Карлин; Деннис, Мэгги (2000). «Время инженерии: изобретение электронных наручных часов» (PDF). Британский журнал истории науки. Издательство Кембриджского университета. 33 (4): 477–497 (485). Дои:10.1017 / S0007087400004167. ISSN  0007-0874.
  9. ^ Джордж Клиффорд, Шиклай (1953). «Симметричные свойства транзисторов и их применения». 41 (6). IEEE: 717–724. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  10. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. п. 162. ISBN  978-3540342588.
  11. ^ 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 | журнал = (Помогите)
  12. ^ "Устная история Томаса (Тома) Стэнли" (PDF).
  13. ^ "Новости IRE и радио-заметки". Труды IRE. 42 (6): 1027–1043. 1954. Дои:10.1109 / JRPROC.1954.274784.
  14. ^ J.T. Wallmark; С.М. Маркус (1959). «Интегрированные устройства с использованием логики униполярных транзисторов с прямой связью». ИС-8 (2). IEEE. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  15. ^ а б c «1960: Показан металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор». Кремниевый двигатель: хронология развития полупроводников в компьютерах. Музей истории компьютеров. Получено 31 августа, 2019.
  16. ^ а б Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. С. 321–3. ISBN  9783540342588.
  17. ^ Войнигеску, Сорин (2013). Высокочастотные интегральные схемы. Издательство Кембриджского университета. п. 164. ISBN  978-0521873024.
  18. ^ 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. Дои: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.
  19. ^ а б «1963: изобретена дополнительная конфигурация схемы МОП». Музей истории компьютеров. Получено 6 июля 2019.
  20. ^ а б Сах, Чжи-Тан; Ванласс, Фрэнк (1963). «Нановаттная логика с использованием полевых металл-оксидных полупроводниковых триодов». 1963 Международная конференция IEEE по твердотельным схемам. Сборник технических статей. VI: 32–33. Дои:10.1109 / ISSCC.1963.1157450.
  21. ^ Дополнительная схема полевого эффекта с низкой резервной мощностью
  22. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. п. 330. ISBN  9783540342588.
  23. ^ Гилдер, Джордж (1990). Микрокосм: квантовая революция в экономике и технологиях. Саймон и Шустер. стр.144 –5. ISBN  9780671705923.
  24. ^ «1972–1973: схемы CMOS LSI для калькуляторов (Sharp и Toshiba)» (PDF). Японский музей истории полупроводников. Архивировано из оригинал (PDF) на 2019-07-06. Получено 5 июля 2019.
  25. ^ «Начало 1970-х: эволюция схем CMOS LSI для часов» (PDF). Японский музей истории полупроводников. Архивировано из оригинал (PDF) 6 июля 2019 г.. Получено 6 июля 2019.
  26. ^ а б «Черепаха транзисторов побеждает в гонке - революция CHM». Музей истории компьютеров. Получено 22 июля 2019.
  27. ^ а б c d Кун, Келин (2018). «CMOS и не только CMOS: проблемы масштабирования». Материалы с высокой мобильностью для приложений CMOS. Woodhead Publishing. п. 1. ISBN  9780081020623.
  28. ^ «CDP 1800 мкП, коммерчески доступный» (PDF). Микрокомпьютерный дайджест. 2 (4): 1–3. Октябрь 1975 г.
  29. ^ "Кремниевый затвор MOS 2102A". Intel. Получено 27 июн 2019.
  30. ^ а б «Хронологический список продуктов Intel. Продукты отсортированы по дате» (PDF). Музей Intel. Корпорация Intel. Июль 2005 г. Архивировано с оригинал (PDF) 9 августа 2007 г.. Получено 31 июля, 2007.
  31. ^ Масухара, Тошиаки; Минато, Осаму; Сасаки, Тошио; Сакаи, Йошио; Кубо, Масахару; Ясуи, Токумаса (февраль 1978 г.). «Высокоскоростное статическое ОЗУ Hi-CMOS 4K с низким энергопотреблением». 1978 Международная конференция по твердотельным схемам IEEE. Сборник технических статей. XXI: 110–111. Дои:10.1109 / ISSCC.1978.1155749. S2CID  30753823.
  32. ^ 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 - Дайджест технических статей: 131–132.
  33. ^ а б Джеалоу, Джеффри Карл (10 августа 1990 г.). «Влияние технологии обработки на конструкцию усилителя чувствительности DRAM» (PDF). CORE. Массачусетский Институт Технологий. стр. 149–166. Получено 25 июн 2019.
  34. ^ а б c «Получатели премии IEEE Andrew S. Grove Award». Премия IEEE Эндрю С. Гроув. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 4 июля 2019.
  35. ^ Давари, Биджан; и другие. (1988). «Высокопроизводительная КМОП-технология 0,25 мкм». Международная конференция по электронным устройствам. Дои:10.1109 / IEDM.1988.32749. S2CID  114078857.
  36. ^ а б "Объем памяти". STOL (Полупроводниковые технологии в Интернете). Получено 25 июн 2019.
  37. ^ Сандху, Гуртей; Доан, Чунг Т. (22 августа 2001 г.). «Аппарат и метод легирования атомного слоя». Патенты Google. Получено 5 июля 2019.
  38. ^ «Toshiba и Sony добились значительных успехов в технологиях обработки полупроводников». Toshiba. 3 декабря 2002 г.. Получено 26 июн 2019.
  39. ^ «Знаменательный год: Годовой отчет TSMC 2004» (PDF). TSMC. Получено 5 июля 2019.
  40. ^ «Анализ роста глобального рынка технологий FinFET в 2024 году по производителям, регионам, типам и областям применения, анализ прогнозов». Финансовое планирование. 3 июля 2019 г.,. Получено 6 июля 2019.
  41. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-12-09. Получено 2011-11-25.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  42. ^ А. Л. Х. Мартинес, С. Хуршид и Д. Росси, «Использование старения КМОП для эффективного проектирования микроэлектроники», 26-й Международный симпозиум IEEE 2020 по онлайн-тестированию и проектированию надежных систем (IOLTS)ieeexplore
  43. ^ К. Моисеев, А. Колодный и С. Вимер, "Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени", ACM Сделки по автоматизации проектирования электронных систем, Том 13, выпуск 4, сентябрь 2008 г., ACM
  44. ^ Хороший обзор методов утечки и уменьшения объясняется в книге. Утечка в нанометровых КМОП технологиях В архиве 2011-12-02 в Wayback Machine ISBN  0-387-25737-3.
  45. ^ 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. Дои:10.1109 / N-SSC.2008.4785694. ISSN  1098-4232.
  46. ^ Данешрад, Бабал; Эльтавил, Ахмед М. (2002). «Интегральные микросхемные технологии для беспроводной связи». Беспроводные мультимедийные сетевые технологии. Международная серия по инженерии и информатике. Springer США. 524: 227–244. Дои:10.1007/0-306-47330-5_13. ISBN  0-7923-8633-7.
  47. ^ Чен, Вай-Кай (2018). Справочник СБИС. CRC Press. С. 60–2. ISBN  9781420005967.
  48. ^ Моргадо, Алонсо; Рио, Росио дель; Роза, Хосе М. де ла (2011). Сигма-дельта модуляторы с нанометровым КМОП для программно-конфигурируемых радиостанций. Springer Science & Business Media. п. 1. ISBN  9781461400370.
  49. ^ Вендрик, Гарри Дж. М. (2017). ИС с нанометровыми КМОП: от основ до ASIC. Springer. п. 243. ISBN  9783319475974.
  50. ^ 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. Получено 22 октября 2016.
  51. ^ Ольштейн, Кэтрин (весна 2008 г.). «Абиди получает награду IEEE Pederson на ISSCC 2008». SSCC: Новости общества твердотельных схем IEEE. 13 (2): 12. Дои:10.1109 / N-SSC.2008.4785734. S2CID  30558989.
  52. ^ Оливейра, Жоао; Идет, Жоао (2012). Параметрическое усиление аналогового сигнала в наноразмерных КМОП-технологиях. Springer Science & Business Media. п. 7. ISBN  9781461416708.
  53. ^ «Infineon достигла вехи вехи в разработке высокочастотного переключателя на КМОП-матрице». EE Times. 20 ноября 2018 г.. Получено 26 октября 2019.
  54. ^ Эдвардс С, "Контроль температуры", Инженерная технология 26 июля - 8 августа 2008 г., ИЭПП
  55. ^ Мурхед, Патрик (15 января 2009 г.). «Бить рекорды с драконами и гелием в пустыне Лас-Вегаса». blogs.amd.com/patmoorhead. Архивировано из оригинал 15 сентября 2010 г.. Получено 2009-09-18.
  56. ^ Prati, E .; De Michielis, M .; Belli, M .; Cocco, S .; Fanciulli, M .; Котекар-Патил, Д .; Ruoff, M .; Kern, D. P .; Wharam, D. A .; Verduijn, J .; Tettamanzi, G.C .; 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:2012Нанот..23у5204П. Дои:10.1088/0957-4484/23/21/215204. PMID  22552118. S2CID  206063658.

дальнейшее чтение

Смотрите также: Список книг об интегральных схемах серии 4000

внешние ссылки