Кіріспе

Интегралды схемаларды жасау технологиясы. Толықтырылатын металл-оксид-жартылайөткізгіш (CMOS, «теңіз шөбі» деп айтылады, /s//iː//m//ɑː//s/, / //ɒ//s/) – логикалық функцияларды жүзеге асыру үшін p және n типіндегі MOSFET-тердің толықтырылатын және симметриялы жұптарын пайдаланатын металл-оксид-жартылайөткізгіш өрістік эффектті транзистор (MOSFET) жасау процесінің бір түрі. CMOS технологиясы интегралды схема (IC) чиптерін, оның ішінде микропроцессорларды, микроконтроллерлерді, жад чиптерін (CMOS BIOS-ты қоса алғанда) және басқа да цифрлық логикалық схемаларды құрастыру үшін қолданылады. CMOS технологиясы сондай-ақ бейне сенсорларын (CMOS сенсорлары), деректер түрлендіргіштерін, RF контурларын (RF CMOS) және көптеген байланыс түрлері үшін жоғары интеграцияланған қабылдағыштар сияқты аналогтық контурлар үшін де қолданылады. CMOS процесін бастапқыда Фрэнк Ванласс Fairchild Semiconductor компаниясында ойлап тапты және 1963 жылы Халықаралық қатты күйдегі схемалар конференциясында Ванласс пен Чи Тан Сах ұсынды. Кейіннен Ванласс CMOS схемалары үшін АҚШ-тың 3 356 858 патентін алды, ол 1967 жылы тіркелді. 1960 жылдардың соңында технология «COS MOS» тауарлық белгісімен коммерцияландырылды, бұл басқа өндірушілерді басқа атау іздеуге мәжбүр етті, нәтижесінде 1970 жылдардың басында «CMOS» технологияның стандартты атауына айналды. CMOS 1980 жылдары өте ірі масштабтағы интеграция (VLSI) чиптері үшін басым MOSFET жасау процесі ретінде NMOS логикасын басып озды, сонымен қатар бұрынғы транзистор-транзисторлық логика (TTL) технологиясын ығыстырды. CMOS сол кезден бері VLSI чиптеріндегі MOSFET жартылайөткізгіш құрылғыларын жасаудың стандартты процесі болып табылады. 2011 жылғы мәліметтерге сәйкес, IC чиптерінің 99%-ы, оның ішінде көптеген цифрлық, аналогты және аралас сигналды IC-лер CMOS технологиясын пайдалана отырып жасалған. CMOS құрылғыларының екі маңызды ерекшелігі – жоғары шуға төзімділік және статикалық қуатты тұтынудың төмендігі. MOSFET жұбының бір транзисторы әрқашан өшірілгендіктен, тізбек тек қосылған және өшірілген күйлер арасында ауысқанда ғана мағыналы қуатты тұтынады. Осының салдарынан CMOS құрылғылары NMOS логикасы немесе транзистор-транзисторлық логика (TTL) сияқты басқа логикалық түрлерге қарағанда аз қалдық жылу шығарады, олар күйін өзгертпеген кезде де тұрақты токқа ие болады. Бұл ерекшеліктер CMOS-ке чипте логикалық функциялардың жоғары тығыздығын интеграциялауға мүмкіндік береді. Дәл осы себепті CMOS VLSI чиптерінде ең көп қолданылатын технологияға айналды. «Металл-оксид-жартылайөткізгіш» термині – металл қақпалық электроды оксид оқшаулағыштың үстіне, ал оқшаулағыш жартылайөткізгіш материалдың үстіне орналасқан MOS өрістік эффектті транзисторлардың физикалық құрылымын көрсетеді. Бұрын алюминий қолданылған, бірақ қазір поликремний қолданылады. Жоғары κ диэлектрлік материалдардың CMOS процесіне енгізілуімен басқа металл қақпалар қайтадан қолданысқа түсті, бұл туралы IBM және Intel 45 нанометрлік түйінде және одан кіші өлшемдерде жариялады.

Инверсия

CMOS тізбектері барлық P типіндегі металл-оксидті жартылайөткізгіш (PMOS) транзисторларының кернеу көзіне немесе басқа PMOS транзисторына қосылуын талап етеді. Сол сияқты, барлық NMOS транзисторлары жерге немесе басқа NMOS транзисторынан кіріс алатын болуы керек. PMOS транзисторының құрамы, егер төменгі қақпалық кернеу қолданылса, оның бастапқы және ағын арасында төмен кедергі, ал жоғары қақпалық кернеу қолданылса, жоғары кедергі жасайды. Керісінше, NMOS транзисторының құрамы төменгі қақпалық кернеу қолданылғанда бастапқы мен ағын арасында жоғары кедергі, ал жоғары қақпалық кернеу қолданылғанда төмен кедергі жасайды. CMOS токты азайту үшін әрбір nMOSFET-ті pMOSFET-пен толықтырып, екі қақпаны және екі ағындыны біріктіреді. Қақпалардағы жоғары кернеу nMOSFET-ті өткізеді, ал pMOSFET-тің өткізгіштігін тоқтатады, ал төменгі кернеу кері әсер етеді. Бұл жүйе қуат тұтынуды және жылу бөлінуді айтарлықтай азайтады. Дегенмен, ауысу уақытында pMOS және nMOS MOSFET-терінің екеуі де қақпалық кернеу бір күйден екінші күйге өтетін сәтте қысқа мерзімге өткізеді. Бұл қуат тұтынуда қысқаша өсімге әкеледі және жоғары жиіліктерде маңызды мәселеге айналады. Суретте кіріс PMOS транзисторына (суреттің жоғарғы бөлігі) және NMOS транзисторына (суреттің төменгі бөлігі) қосылғанда не болатыны көрсетілген. Vdd – қуат көзіне қосылған оң кернеу, ал Vss – жер. A – кіріс, Q – шығыс. Егер A кернеуі төмен болса (яғни Vss-ке жақын), NMOS транзисторының арнасы жоғары кедергілі күйде болады, Vss-ті Q-дан ажыратады. PMOS транзисторының арнасы төмен кедергілі күйде болады, Vdd-ді Q-ға қосады. Сондықтан Q, Vdd-ді көрсетеді. Керісінше, егер A кернеуі жоғары болса (яғни Vdd-ге жақын), PMOS транзисторы жоғары кедергілі күйде болады, Vdd-ді Q-дан ажыратады. NMOS транзисторы төмен кедергілі күйде болады, Vss-ті Q-ға қосады. Енді Q, Vss-ті көрсетеді. Қысқасы, PMOS және NMOS транзисторларының шығыстары бір-бірін толықтырады, сондықтан кіріс төмен болғанда шығыс жоғары, ал кіріс жоғары болғанда шығыс төмен болады. Кіріс қандай болса да, шығыс ешқашан ашық қалмайды (сымның сыйымдылығы мен электрлік ағынның/жердің болмауына байланысты заряд сақталмайды). Осы кіріс-шығыс қасиеттерінің арқасында CMOS тізбегінің шығысы кірістің инверсиясы болып табылады. Транзисторлардың кедергілері ешқашан нақты түрде нөлге немесе шексіздікке тең болмайды, сондықтан Q ешқашан Vss немесе Vdd-ге тең болмайды, бірақ Q әрқашан A-дан Vdd-ге жақын болады (немесе керісінше, егер A Vss-ке жақын болса). Бұл күшейткіш болмаса, сериялы түрде қосылған логикалық қақпалардың саны өте шектеулі болар еді, және миллиардтаған транзисторлары бар CMOS логикасы мүмкін болмас еді.

Электр қоректендіру шұңқырлары

CMOS үшін қуат беру тіректері өндірушіге қарай VDD және VSS немесе VCC және Жер (GND) деп аталады. VDD және VSS – бұл классикалық MOS тізбектерінен мұраға қалған және дренаж және бастапқы қоректендіруді білдіреді. Бұл тікелей CMOS-қа қатысты емес, себебі екі қуат көзі де іс жүзінде бастапқы қоректендіру болып табылады. VCC және Жер TTL логикасынан алынған, ал бұл терминология CMOS-тің 54C/74C қатарының енгізілуімен сақталды.

Дуальділік

CMOS схемасының маңызды ерекшелігі – оның PMOS және NMOS транзисторлары арасындағы екіжақтылық қатынасы болып табылады. CMOS схемасы шығыстан қуат көзіне немесе жерге дейін әрқашан жол болуын қамтамасыз ету үшін жасалады. Бұны іске асыру үшін, кернеу көзіне дейінгі барлық жолдар жиыны, жерге дейінгі барлық жолдар жиынының толықтырушысы болуы керек. Мұны бірін екіншісінің инверсиясы ретінде анықтау арқылы оңай жасауға болады. Де Морган заңдарына негізделген логикаға сәйкес, параллель қосылған PMOS транзисторларына сәйкес келетін NMOS транзисторлары тізбектей қосылады, ал тізбектей қосылған PMOS транзисторларына сәйкес келетін NMOS транзисторлары параллель қосылады.

Логика

AND және OR қақпаларын қамтитын күрделі логикалық функциялар логиканы бейнелеу үшін қақпалар арасындағы жолдарды басқаруды талап етеді. Егер жол екі транзистордан тізбектелі тұрса, екі транзистордың да сәйкес қуат көзіне төмен кедергісі болуы керек, бұл AND логикасын моделідейді. Егер жол екі транзистордан параллель тұрса, бір немесе екі транзистордың да қуат көзін шығысқа қосу үшін төмен кедергісі болуы керек, бұл OR логикасын моделідейді. Оң жақта CMOS логикасындағы NAND қақпасының схемасы көрсетілген. Егер A және B кірістері жоғары болса, онда NMOS транзисторлары (схеманың төменгі жартысы) тоқ өткізеді, PMOS транзисторларының ешқайсысы (жоғарғы жартысы) тоқ өткізбейді, соның салдарынан шығыс пен Vss (жер) арасында тоқ өткізгіш жол құрылып, шығыс төмендейді. Егер A және B кірістері төмен болса, онда NMOS транзисторларының ешқайсысы тоқ өткізбейді, ал PMOS транзисторларының екеуі де тоқ өткізеді, шығыс пен Vdd (қуат көзі) арасында тоқ өткізгіш жолды орнатып, шығысты жоғарылатады. Егер A немесе B кірісінің біреуі төмен болса, NMOS транзисторларының бірі тоқ өткізбейді, PMOS транзисторларының бірі тоқ өткізеді және шығыс пен Vdd (қуат көзі) арасында тоқ өткізгіш жол құрылып, шығыс жоғарылайды. Екі кірістің төмен шығыс беретін жалғыз жағдайы – екеуі де жоғары болғанда, сондықтан бұл схема NAND (NOT AND) логикалық қақпасын іске асырады. CMOS логикасының NMOS логикасына қарағанда артықшылығы – төменнен жоғарыға және жоғарыдан төменге шығыс өзгерістері жылдам болады, себебі (PMOS) тартымды транзисторлар NMOS логикасындағы жүктемелік кедергілерден айырмашылығы, қосылғанда төмен кедергіге ие. Сонымен қатар, шығыс сигналы төменгі және жоғары деңгейлер арасында толық кернеуді қамтиды. Бұл күшті, симметрияға жақын жауап CMOS-ты шуға төзімді етеді. CMOS схемасындағы кешігуді есептеу әдісі үшін Логикалық күш-жігерін қараңыз.

Мысалы: физикалық орналасудағы NAND қақпасы

Бұл мысалда NAND логикалық құрылғысы өндірілетіндей физикалық бейнеленген күйде көрсетілген. Физикалық орналасу перспективасы – қабаттар жиынтығының "құс көзімен қарау" түрі. Сұлба P типті субстратқа орналастырылған. Поликремний, диффузия және n-ұңғымалары "негізгі қабаттар" деп аталады және іс жүзінде P типті субстраттың ойықтарына енгізіледі. (Төмендегі процестік схемадағы 1-6 қадамдарды қараңыз) Контактілер негізгі қабаттар мен бірінші металл қабаты (metal1) арасындағы оқшаулағыш қабатты тесіп өтеді, арқасында қосылыс жасалады. NAND кірістері (жасыл түспен көрсетілген) поликремнийде орналасқан. Транзисторлар (құрылғылар) поликремний мен диффузияның қиылысуы арқылы қалыптасады; N құрылғысы үшін N диффузиясы және P құрылғысы үшін P диффузиясы (сәйкесінше лосось және сары түспен көрсетілген). Шығыс ("шығыс") металл арқылы біріктірілген (көк түспен көрсетілген). Металл мен поликремний немесе диффузия арасындағы қосылыстар контактілер арқылы жасалады (қара түсті шаршылар түрінде бейнеленген). Физикалық макет мысалы алдыңғы мысалда келтірілген NAND логикалық схемасына сәйкес келеді. N құрылғысы P типті субстратта, ал P құрылғысы N типті ұңғымада (n-ұңғыма) өндіріледі. P типті субстраттың "қосылысы" VSS-ке, ал N типті n-ұңғыманың қосылысы VDD-ге қосылады, бұл құлыптанудың алдын алу үшін жасалады.

Статикалық диссипация

NMOS және PMOS транзисторларының екеуінде де қақпа-шығыс шекті кернеуі (Vth) болады, одан төмен құрылғы арқылы өтетін ток (ішкі өткізгіш ток деп аталады) экспоненциалды түрде төмендейді. Тарихи тұрғыдан алғанда, CMOS схемалары олардың шекті кернеуінен әлдеқайда жоғары қоректендіру кернеулерінде жұмыс істеді (Vdd 5 В болуы мүмкін, ал NMOS және PMOS үшін Vth 700 мВ болуы мүмкін). Кейбір CMOS тізбектерінде қолданылатын транзистордың ерекше түрі – нөлге жуық шекті кернеуі бар түпкі транзистор. SiO2 жақсы оқшаулағыш, бірақ өте жұқа қабаттарда электрондар өте жұқа оқшаулау арқылы туннельдеуі мүмкін; оксид қалыңдығымен бірге туннельдеу ықтималдығы экспоненциалды түрде төмендейді. 130 нм-ден кішкентай технологиядағы транзисторлар үшін 20 Å немесе одан да жұқа қақпа оксидтері үшін туннельдеу тогы өте маңызды болады. Диффузиялық аймақтар мен ұңғымалар (мысалы, p-типті диффузия және n-ұңғыма), ұңғымалар мен негіз (мысалы, n-ұңғыма және p-негіз) арасындағы кері бөгделенудің пайда болуынан шағын кері ағып кету тогы пайда болады. Қазіргі процестерде диодтың ағып кетуі ішкі өткізгіш және туннельдеу тогымен салыстырғанда өте аз, сондықтан оларды қуат есептеу кезінде елеусіз қалдыруға болады. Егер қатынастар сәйкес келмесе, PMOS және NMOS тогы әртүрлі болуы мүмкін; бұл тепе-теңдіксіздікке алып келуі мүмкін, сондықтан дұрыс емес ток CMOS-ты қыздырып, қажетсіз қуатты ысырапқа салуы мүмкін. Сонымен қатар, соңғы зерттеулер көрсеткендей, ескіру әсерінен ағып кету қуаты төмендейді, бірақ құрылғылардың баяулауына байланысты. Схемаларды жылдамдату үшін өндірушілер төменгі кернеу шегі бар конструкцияларға көшті, бірақ осының салдарынан қазіргі заманғы NMOS транзисторы 200 мВ Vth-тің айқын ішкі өткізгіш ағынына ие. Көптеген белсенді емес тізбектерді қамтитын схемалар (мысалы, үстел процессорлары) осы ағыннан ағып кетудің салдарынан қуатты тұтынады. Ағып кету қуаты мұндай схемалардың тұтынатын жалпы қуаттың маңызды бөлігін құрайды. MTCMOS (көпшегілді CMOS), қазір құю заводтарынан қол жетімді, ағып кету қуатын басқарудың бір тәсілі. MTCMOS-та ауысу жылдамдығы маңызды емес кезде жоғары Vth транзисторлары, ал жылдамдыққа сезімтал тізбектерде төмен Vth транзисторлары қолданылады. Қақпа диэлектригінің одан да жұқа болуымен байланысты технологияның одан әрі дамуы өте жұқа қақпа диэлектригі арқылы ток туннельдеуіне байланысты қосымша ағып кету компонентіне ие. SiO2 орнына жоғары κ диэлектриктерін пайдалану, дәстүрлі қақпа диэлектригі, ұқсас құрылғының жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, бірақ қалың қақпа оқшаулағышымен, осылайша осы токтан аулақ болады. Жаңа материалдар мен жүйелік дизайнды пайдалану арқылы ағып кетуді азайту CMOS масштабын сақтау үшін өте маңызды.

Жүк сыйымдылықтарын зарядтау және босату

CMOS тізбектері әртүрлі жүктеме сыйымдылықтарын (көбінесе қақпа және сым сыйымдылығы, сондай-ақ ағын және кейбір бастапқы сыйымдылықтар) зарядтау арқылы қуатты шығындайды, олар қосқанда. CMOS логикасының бір толық циклында ток VDD-ден жүктеме сыйымдылығын зарядтау үшін ағып, содан кейін зарядталған жүктеме сыйымдылығынан (CL) разрядтау кезінде жерге ағып түседі. Сондықтан, бір толық зарядтау/разрядтау циклында Q=CLVDD көлемі VDD-ден жерге беріледі. Жүктеме сыйымдылығындағы коммутация жиілігіне көбейту арқылы қолданылған ток алынады, ал CMOS құрылғысы шығарған сипаттамалық коммутациялық қуатты алу үшін орташа кернеуге қайтадан көбейтіңіз: Көптеген қақпалар әр сағат циклында жұмыс істемейді / коммутацияламайды, сондықтан олар көбінесе белсенділік коэффициенті деп аталатын фактормен бірге келеді. Динамикалық қуаттың шығыны келесідей жазылуы мүмкін: жүйедегі сағаттың белсенділік коэффициенті α=1, өйткені ол әр циклда көтеріліп, төмендейді. Көптеген деректерде 0,1 белсенділік коэффициенті бар. Егер түйіннің жүктеме сыйымдылығы және оның белсенділік коэффициенті дұрыс бағаланса, онда сол түйіндегі динамикалық қуаттың шығыны тиімді түрде есептеледі.

Қысқа тұйықталу қуаты

pMOS және nMOS үшін де шекті көтерілу/түсу уақыты болғандықтан, мысалы, өшіруден қосуға өту кезінде екі транзистор да қысқа мерзімге іске қосылады, сол кезде ток VDD-ден тікелей жерге қарай өтеді, осылайша қысқа тұйықталу тогы пайда болады, кейде оны "қосқыш" тогы деп атайды. Қысқа тұйықталудан болатын қуат шығыны транзисторлардың көтерілу және түсу уақытымен бірге артады. Бұл тұтыну түрі 1990-шы жылдары маңызды бола бастады, себебі чиптегі сымдар тартылып, ұзын сымдардың кедерігі артты. Ондай кедерігі бар сымдардың соңындағы CMOS шлюздері баяу кіріс өзгерістерін сезеді. Мұқият жобалау, әлсіз қуатпен жұмыс істейтін ұзын, жіңішке сымдарды болдырмау арқылы бұл әсерді азайтады, бірақ "қосқыш" қуаты динамикалық CMOS қуатының маңызды бөлігі болуы мүмкін.

Кіріс қорғанысы

CMOS құрылымындағы паразиттік транзисторлар қалыпты жұмыс диапазонынан тыс кіріс сигналдарымен, мысалы, электростатикалық разрядтар немесе желідегі шағылыстар арқылы қосылуы мүмкін. Соның салдарынан тұйықталу пайда болып, CMOS құрылғысын зақымдауы немесе жоюы мүмкін. Осындай сигналдармен күресу үшін CMOS тізбектеріне қорғау диодтары қосылады. Өндірушілердің деректер кестелерінде диодтар арқылы өтуге рұқсат етілген максималды ток мөлшері көрсетілген.

RF CMOS

RF CMOS – бұл аралас сигнал CMOS интегралды схема технологиясына негізделген радиожиілік схемаларын (RF схемаларын) білдіреді. Олар сымсыз телекоммуникация технологиясында кеңінен қолданылады. RF CMOS 1980 жылдардың соңында Асад Абиди UCLA жұмыс істеген кезде әзірлеген. Бұл радио қабылдағыштарда дискретті биполярлы транзисторларды CMOS интегралды схемаларымен алмастыруға мүмкіндік берген RF схемаларын жобалау тәсілін өзгертіп, жаңаша бейімдеді. Ол күрделі, төмен құнмен және портативті соңғы пайдаланушы терминалдарының пайда болуына, сондай-ақ сымсыз байланыс жүйелерінің кең ауқымы үшін кішкентай, арзан, аз қуатты және портативті құрылғыларды жасауға ықпал етті. Бұл «кез келген уақытта, кез келген жерде» байланыс мүмкіндігін қамтамасыз етіп, сымсыз революцияға көмектесті және сымсыз индустрияның қарқынды өсуіне әкелді. Барлық заманауи сымсыз желі құрылғылары мен ұялы телефондардағы негізгі жолақты процессорлар мен радио қабылдағыштар RF CMOS құрылғыларын қолдана отырып, жаппай өндіріледі. Коммерциялық RF CMOS микросхемаларының мысалдарына Intel компаниясының DECT сымсыз телефоны және Atheros және басқа компаниялар жасаған 802.11 (Wi-Fi) микросхемалары жатады. Коммерциялық RF CMOS өнімдері Bluetooth және сымсыз LAN (WLAN) желілері үшін де қолданылады. RF CMOS GSM, Wi-Fi және Bluetooth сияқты сымсыз стандарттар үшін радио қабылдағыштарда, 3G сияқты ұялы желілер үшін қабылдағыштарда және сымсыз сенсорлық желілердегі (WSN) қашықтықтан басқару құрылғыларында да қолданылады. RF CMOS технологиясы қазіргі заманғы сымсыз байланыс үшін, соның ішінде сымсыз желілер мен ұялы байланыс құрылғылары үшін маңызды болып табылады. RF CMOS технологиясын коммерциялық түрде енгізген компаниялардың бірі Infineon болды. Оның CMOS RF коммутаторларының көп бөлігі жылына 1 миллиардтан астам дана сатылады, ал 2018 жылға қарай жиынтық көлемі 5 миллиард данаға жетті.

Температура диапазоны

Кәдімгі CMOS құрылғылары -55 °C-тан +125 °C-қа дейінгі диапазонда жұмыс істейді. Мамыр айының басында 2008 жылдың тамызында теориялық тұрғыдан кремний CMOS -233 °C (40 K) температураға дейін жұмыс істейтіні болжамдалған. Содан бері, сұйық азот және сұйық гелий салқындатуының комбинациясымен күшейтілген AMD Phenom II процессорларын пайдалану арқылы 40 K-қа жуық температурада жұмыс істеуге қол жеткізілді. Кремний карбиді CMOS құрылғылары бір жыл бойы 500 °C температурада сынақтан өтті.

Бір электронды MOS транзисторлары

Өте кішкентай (L = 20 нм, W = 20 нм) MOSFET-тер криогендік температурада, -269 °C (4 К) және -258 °C (15 К) аралығында жұмыс істегенде, жалғыз электрондық шекке жетеді. Транзистор электрондардың біртіндеп, бірінен соң бірі зарядталуына байланысты Кулон блокадасын көрсетеді. Каналдағы электрондардың саны қақпалық кернеумен басқарылады, бастапқыда электрондардың саны нөлге тең болады, содан кейін бір немесе көп электронға дейін орнатылуы мүмкін.