CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) is de belangrijkste technologie die in moderne chips wordt gebruikt, omdat het NMOS- en PMOS-transistors samen gebruikt om stroomverspilling te verminderen. Het ondersteunt digitale, analoge en gemengde signaalcircuits in processors, geheugen, sensoren en draadloze apparaten. Dit artikel geeft informatie over de werking van CMOS, fabricagestappen, schaalbaarheid, energieverbruik, betrouwbaarheid en toepassingen.
CMOS-technologie Basisprincipes
Complementair metaal–oxide–halfgeleider (CMOS) is de belangrijkste technologie die wordt gebruikt om moderne geïntegreerde schakelingen te bouwen. Het gebruikt twee soorten transistors, NMOS (n-kanaal MOSFET) en PMOS (p-kanaal MOSFET), zo gerangschikt dat wanneer de ene aan is, de andere uit is. Deze aanvullende actie helpt om stroomverspilling tijdens normaal gebruik te verminderen.
CMOS maakt het mogelijk om een zeer groot aantal transistors op een klein stukje silicium te plaatsen, terwijl het stroomverbruik en de warmte beheersbaar blijven. Hierdoor wordt CMOS-technologie gebruikt in digitale, analoge en gemengde signaalcircuits in veel moderne elektronische systemen, van processors en geheugen tot sensoren en draadloze chips.
MOSFET-apparaten als kern van CMOS-technologie
In CMOS-technologie is de MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) de basis elektronische schakelaar. Het is gebouwd op een siliciumwafer en bestaat uit vier hoofdonderdelen: de bron, de drain, de gate en het kanaal tussen source en drain. De poort rust bovenop een zeer dunne isolatielaag, de poortoxide genoemd, die hem van het kanaal scheidt.
Wanneer er spanning op de gate wordt aangelegd, verandert deze de lading in het kanaal. Dit zorgt ervoor dat er stroom tussen de bron en de afvoer kan stromen, of het stopt het. In een NMOS-transistor wordt de stroom door elektronen geleid. In een PMOS-transistor wordt de stroom geleid door gaten. Door NMOS- en PMOS-transistors te vormen in verschillende regio's, zogenaamde putten, kan CMOS-technologie beide typen transistors op dezelfde chip plaatsen.
CMOS-logicawerking in digitale schakelingen
• CMOS-logica gebruikt paren van NMOS- en PMOS-transistors om basislogicapoorten te bouwen.
• De eenvoudigste CMOS-poort is de inverter, die het signaal omschakelt: wanneer de ingang 0 is, is de uitgang 1; wanneer de ingang 1 is, is de uitgang 0.
• In een CMOS-omvormer verbindt de PMOS-transistor de uitgang met de positieve voeding wanneer de ingang laag is.
• De NMOS-transistor verbindt de uitgang met aarde wanneer de ingang hoog is.
• Bij normale werking is er slechts één pad (naar de voeding of naar de aarde) tegelijk ingeschakeld, waardoor het statische stroomverbruik zeer laag blijft.
• Complexere CMOS-poorten, zoals NAND en NOR, worden gecreëerd door meerdere NMOS- en PMOS-transistors in serie en parallel te verbinden.
CMOS vs NMOS vs TTL: Vergelijking van de logicafamilie
| Kenmerk | CMOS | NMOS | TTL (Bipolair) |
|---|---|---|---|
| Statische stroom (stationair) | Zeer laag | Matig | High |
| Dynamische kracht | Laag voor dezelfde functie | Hoger | Hoog bij hoge snelheid |
| Voedingsspanningsbereik | Werkt goed bij lage spanningen | Meer beperkt | Vaak vastgelegd rond 5 V |
| Integratiedichtheid | Zeer hoog | Lower | Laag vergeleken met CMOS |
| Typisch gebruik vandaag de dag | Belangrijkste keuze in moderne chips | Meestal oudere of speciale schakelingen | Meestal oudere of speciale schakelingen |
CMOS-chipfabricageproces
• Begin met een schone, hoogwaardige siliciumwafer als basis voor de CMOS-chip.
• Vorm n-well- en p-well-gebieden waar de NMOS- en PMOS-transistors zullen worden gemaakt.
• Kweek of breng een dunne gate-oxidelaag af op het oppervlak van de wafer.
• Het gatemateriaal deponeren en patroneren om de transistorgates te creëren.
• Implanteer de bron- en drainagegebieden met de juiste dopanten voor NMOS- en PMOS-transistors.
• Bouw isolatiestructuren zodat nabijgelegen transistors elkaar niet beïnvloeden.
• Afzetting van isolerende lagen en metaallagen om transistors met werkende schakelingen te verbinden.
• Voeg meer metalen lagen en kleine verticale schakels toe die via's worden genoemd om signalen over de chip te leiden.
• Afwerken met beschermende passiveringslagen, snijd de wafer vervolgens in aparte chips, verpak deze en test ze.
Technologieschaal in CMOS
In de loop der tijd is CMOS-technologie verschoven van micrometergrote functies naar nanometer-grote functies. Naarmate transistors kleiner worden, kunnen er meer op hetzelfde chipoppervlak passen. Kleinere transistors kunnen ook sneller schakelen en kunnen vaak op lagere voedingsspanningen draaien, wat de prestaties verbetert en de energie per bewerking vermindert. Maar het verkleinen van CMOS-apparaten brengt ook uitdagingen met zich mee:
• Zeer kleine transistors kunnen meer stroom lekken, waardoor het standbyvermogen toeneemt.
• Korte-kanaaleffecten maken transistors moeilijker te beheersen.
• Procesvariaties zorgen ervoor dat transistorparameters meer variëren van het ene apparaat tot het andere.
Om deze problemen aan te pakken, worden nieuwere transistorstructuren zoals FinFETs en gate-all-around apparaten gebruikt, samen met meer geavanceerde processtappen en strengere ontwerpregels in moderne CMOS-technologie.
Soorten energieverbruik in CMOS-schakelingen
| Vermogenstype | Wanneer het gebeurt | Hoofdoorzaak | Eenvoudig effect |
|---|---|---|---|
| Dynamische kracht | Wanneer signalen schakelen tussen 0 en 1 | Opladen en ontladen van kleine condensatoren | Neemt toe naarmate schakelen en klok omhoog gaan |
| Kortsluitingsstroom | Voor een korte tijd, terwijl een poort schakelt | NMOS en PMOS staan deels samen aan | Extra vermogen gebruikt tijdens veranderingen |
| Lekvermogen | Zelfs wanneer signalen niet schakelen | Kleine stroom die door de transistors stroomt | Wordt basaal bij zeer kleine maten |
Faalmechanismen in CMOS-technologie
CMOS-apparaten kunnen falen door vergrendeling, ESD-schade, langdurige veroudering en slijtage van metalen verbindingen. Latch-up vindt plaats wanneer parasitaire PNPN-paden binnen de chip worden ingeschakeld en een verbinding met lage weerstand creëren tussen VCC en aarde; Sterke puttencontacten, beschermringen en voldoende layoutafstand helpen het te onderdrukken. ESD (elektrostatische ontlading) kan door dunne gate-oxiden en -verbindingen heen dringen wanneer snelle spanningspieken de pinnen raken, dus I/O-pads bevatten meestal speciale klemmen en diode-gebaseerde beschermingsnetwerken. Na verloop van tijd verschuiven BTI en hot-carrier injectie transistorparameters, en een overmatige stroomdichtheid kan elektromigratie veroorzaken die metalen leidingen verzwakt of breekt.
Digitale bouwstenen in CMOS-technologie
• Basislogicapoorten zoals inverters, NAND, NOR en XOR zijn opgebouwd uit CMOS-transistors.
• Sequentiële elementen zoals vergrendelingen en slippers houden bits digitale data vast en werken ze bij.
• Datapadblokken, waaronder adders, multiplexers, shifters en counters, worden gevormd door het combineren van vele CMOS-poorten.
• Geheugenblokken zoals SRAM-cellen worden gegroepeerd in arrays voor kleine opslag op de chip.
• Standaardcellen zijn vooraf ontworpen CMOS-logicablokken die digitale tools hergebruiken over een chip.
• Grote digitale systemen, waaronder CPU's, controllers en aangepaste versnellers, worden gemaakt door veel standaardcellen en geheugenblokken met elkaar te verbinden in CMOS-technologie.
Analoge en RF-circuits in CMOS-technologie
CMOS-technologie is niet beperkt tot digitale logica. Het kan ook worden gebruikt om analoge schakelingen te bouwen die werken met continue signalen:
• Blokken zoals versterkers, comparatoren en spanningsreferenties worden gemaakt van CMOS-transistors en passieve componenten.
• Deze schakelingen helpen signalen te detecteren, vormen en beheersen vóór of na digitale verwerking.
CMOS kan ook RF (radiofrequentie) circuits ondersteunen:
• Low-noise versterkers, mixers en oscillatoren kunnen worden geïmplementeerd in hetzelfde CMOS-proces als digitale logica.
• Wanneer analoge, RF- en digitale blokken op één chip worden gecombineerd, maakt CMOS-technologie mixed-signal of RF system-on-chip oplossingen mogelijk die zowel signaalverwerking als communicatie op één chip afhandelen.
Toepassingen van CMOS-technologie
| Toepassingsgebied | Hoofdrol van CMOS | Voorbeeldapparaten |
|---|---|---|
| Processors | Digitale logica en besturing | Applicatieprocessors, microcontrollers |
| Geheugen | Gegevensopslag met SRAM, flash en andere | Cachegeheugen, embedded flash |
| Beeldsensoren | Actieve pixelarrays en uitleescircuits | Smartphonecamera's, webcams |
| Analoge interfaces | Versterkers, ADC's en DAC's | Sensorinterfaces, audiocodecs |
| RF en draadloos | RF-front-ends en lokale oscillatoren | Wi-Fi, Bluetooth, mobiele transceivers |
Conclusie
CMOS ondersteunt hoge transistordichtheid, lage statische stroom en snelle schakeling in moderne geïntegreerde schakelingen. Het bouwt logische poorten, geheugenblokken en grote digitale systemen, terwijl het ook analoge en RF-circuits op dezelfde chip ondersteunt. Naarmate de schaal doorgaat, nemen lekkages, korte-kanaaleffecten en apparaatvariatie toe, waardoor nieuwere structuren zoals FinFETs en gate-all-around worden gebruikt.
Veelgestelde Vragen [FAQ]
Wat is het verschil tussen n-well, p-well en twin-well CMOS?
n-well bouwt PMOS in n-wells, p-well bouwt NMOS in p-wells, en twin-well gebruikt beide voor betere controle over transistorgedrag.
Waarom gebruiken CMOS-chips meerdere metalen lagen?
Om meer signalen te verbinden, routeringscongestie te verminderen en de bedrading efficiënt over de chip te verbeteren.
Wat is het lichaamseffect in een CMOS-transistor?
Het is een verandering in de drempelspanning veroorzaakt door een spanningsverschil tussen de bron en het transistorlichaam.
Wat zijn ontkoppelcondensatoren in CMOS-chips?
Ze stabiliseren de voeding door spanningsval en ruis tijdens het schakelen te verminderen.
Waarom heeft CMOS afscherming en beschermringen nodig?
Om ruiskoppeling te verminderen en interferentie tussen gevoelige en ruisachtige circuitgebieden te voorkomen.
Hoe verschilt SRAM van DRAM en flash in CMOS?
SRAM is snel maar groter van omvang, DRAM is dichter maar moet vernieuwen, en flash houdt data vast zelfs zonder stroom.