Комплементарный металл-оксид-полупроводник ( КМОП , произносится как «морской мох», / s iː m ɑː s / , /- ɒ s / ) - это тип процесса изготовления полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) , в котором используется дополнительные и симметричные пары МОП-транзисторов p-типа и n-типа для логических функций. [1] Технология КМОП используется для создания микросхем интегральных схем (ИС), включая микропроцессоры , микроконтроллеры , микросхемы памяти (включая CMOS BIOS ) и других цифровых логических схем. Технология CMOS также используется для аналоговых схем, таких как датчики изображения ( датчики CMOS ), преобразователи данных , радиочастотные схемы ( RF CMOS ) и высокоинтегрированные приемопередатчики для многих типов связи.
Процесс КМОП был первоначально задуман Фрэнком Ванлассом из Fairchild Semiconductor и представлен Ванлассом и Чи-Танг Са на Международной конференции по твердотельным схемам в 1963 году. Позже Ванласс подал патент США 3 356 858 на схему КМОП, и он был выдан в 1967 году. RCA коммерциализирована. технология под торговой маркой «COS-MOS» в конце 1960-х годов, что вынудило других производителей найти другое имя, в результате чего к началу 1970-х годов «CMOS» стало стандартным названием для этой технологии. КМОП обогнала логику НМОП в качестве доминирующего процесса изготовления МОП-транзисторов для микросхем очень большой интеграции (СБИС) в 1980-х годах, а также заменила более раннюю технологию транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). С тех пор КМОП остается стандартным процессом изготовления полупроводниковых устройств MOSFET в чипах СБИС. По состоянию на 2011 год [обновлять]99% микросхем, включая большинство цифровых , аналоговых и смешанных микросхем, были изготовлены с использованием КМОП-технологии. [2]
Двумя важными характеристиками КМОП-устройств являются высокая помехоустойчивость и низкое статическое энергопотребление . [3] Поскольку один транзистор пары MOSFET всегда выключен, последовательная комбинация потребляет значительную мощность лишь на мгновение во время переключения между состояниями «включено» и «выключено». Следовательно, устройства CMOS не выделяют столько тепла , сколько другие формы логики, такие как NMOS-логика или транзисторно-транзисторная логика (TTL), которые обычно имеют некоторый постоянный ток, даже когда не меняют состояние. Эти характеристики позволяют КМОП интегрировать на кристалле высокую плотность логических функций. В первую очередь по этой причине КМОП стала наиболее широко используемой технологией для реализации в чипах СБИС.
Фраза «металл-оксид-полупроводник» является отсылкой к физической структуре полевых МОП-транзисторов , имеющих металлический электрод затвора , расположенный поверх оксидного изолятора, который, в свою очередь, находится поверх полупроводникового материала . Когда-то использовался алюминий , но теперь это поликремний . Другие металлические затворы вернулись с появлением диэлектрических материалов с высоким κ в процессе КМОП, как объявили IBM и Intel для узла 45 нанометров и меньших размеров. [4]
Принцип дополнительной симметрии был впервые введен Джорджем Шиклаем в 1953 году, который затем обсудил несколько дополнительных биполярных цепей. Пол Веймер , также работавший в RCA , изобрел в 1962 году комплементарные схемы на тонкопленочных транзисторах (TFT), близкие родственники КМОП. Он изобрел дополнительные триггерные и инверторные схемы, но не работал над более сложной дополнительной логикой. Он был первым, кто смог поместить p-канальные и n-канальные TFT в схему на одной подложке. Тремя годами ранее Джон Т. Уоллмарк и Сэнфорд М. Маркус опубликовали множество сложных логических функций, реализованных в виде интегральных схем с использованием JFET , включая схемы комплементарной памяти. Фрэнк Ванласс был знаком с работой Веймера в RCA. [5] [6] [7] [8] [9] [10]
МОП -транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Первоначально существовало два типа процессов изготовления МОП-транзисторов : PMOS ( МОП p-типа ) и NMOS ( МОП n-типа ). [ 11] Оба типа были разработаны Аталлой и Кангом, когда они первоначально изобрели МОП-транзистор, производя устройства как PMOS, так и NMOS с длиной затвора 20 мкм , а затем 10 мкм в 1960 году. Bell Labs в пользу биполярных транзисторов , [12] изобретение MOSFET вызвало значительный интерес в Fairchild Semiconductor . [11] Основываясь на работе Аталлы, [14] Чи-Тан Сах представил технологию МОП компании Fairchild с помощью своего полевого тетрода с МОП-управлением , изготовленного в конце 1960 года. [11]
Новый тип логики MOSFET, сочетающий процессы PMOS и NMOS, был разработан Чи-Тангом Са и Фрэнком Ванлассом из Fairchild, названным комплементарным MOS (CMOS). В феврале 1963 года они опубликовали изобретение в исследовательской работе . [15] [16] И в исследовательской работе, и в патенте , поданном Ванлассом, было описано изготовление КМОП-устройств на основе термического окисления кремниевой подложки с получением слоя диоксида кремния , расположенного между контактом стока и исходный контакт. [17] [16]
КМОП была коммерциализирована компанией RCA в конце 1960-х годов. Компания RCA приняла CMOS для проектирования интегральных схем (ИС), разработав схемы CMOS для компьютера ВВС в 1965 году, а затем в 1968 году 288- битную микросхему памяти CMOS SRAM . [15] RCA также использовала CMOS для своих интегральных схем серии 4000. в 1968 году, начиная с процесса производства полупроводников 20 мкм , а затем постепенно переходя к процессу 10 мкм в течение следующих нескольких лет. [18]
Американская полупроводниковая промышленность изначально игнорировала технологию КМОП в пользу технологии NMOS, которая в то время была более мощной. Однако КМОП была быстро принята и усовершенствована японскими производителями полупроводников из-за ее низкого энергопотребления, что привело к развитию японской полупроводниковой промышленности. [19] В 1969 году компания Toshiba разработала C²MOS (Clocked CMOS), схемотехническую технологию с меньшим энергопотреблением и более высокой скоростью работы, чем обычная CMOS. Toshiba использовала свою технологию C²MOS для разработки чипа большой интеграции (LSI) для Sharp Elsi. Мини- карманный светодиодный калькулятор , разработанный в 1971 году и выпущенный в 1972 году. [20] Suwa Seikosha (ныне Seiko Epson ) начала разработку микросхемы CMOS IC для кварцевых часов Seiko в 1969 году и начала массовое производство с запуском Seiko Analog Quartz. 38SQW в 1971 году. [21] Первым массовым продуктом бытовой электроники с КМОП были цифровые часы Hamilton Pulsar «Wrist Computer», выпущенные в 1970 году . [22] Из-за низкого энергопотребления логика КМОП широко использовалась в калькуляторах и часы с 1970-х годов. [23]
Самыми ранними микропроцессорами начала 1970-х годов были процессоры PMOS, которые первоначально доминировали в ранней индустрии микропроцессоров . К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. [24] КМОП-микропроцессоры были представлены в 1975 году с Intersil 6100 , [24] и RCA CDP 1801 . [25] Однако КМОП-процессоры не стали доминирующими до 1980-х годов. [24]
Первоначально CMOS была медленнее, чем логика NMOS , поэтому NMOS более широко использовалась в компьютерах в 1970-х годах. [23] Чип памяти CMOS Intel 5101 (1 КБ SRAM ) (1974 г.) имел время доступа 800 нс , [26] [27] тогда как самый быстрый чип NMOS в то время - память HMOS Intel 2147 (4 КБ SRAM). чип (1976 г.), имел время доступа 55/70 нс. [23] [27] В 1978 году исследовательская группа Hitachi под руководством Тошиаки Масухары представила двухлуночный процесс Hi-CMOS с микросхемой памяти HM6147 (4 КБ SRAM), изготовленной по 3-мкм техпроцессу . [23] [28] [29] Чип Hitachi HM6147 смог сравниться по производительности ( доступ 55/70 нс) с чипом Intel 2147 HMOS, при этом HM6147 также потреблял значительно меньше энергии (15 мА ), чем 2147 (110 мА). мА). Обладая сопоставимой производительностью и гораздо меньшим энергопотреблением, двухъямочный КМОП-процесс в конечном итоге обогнал NMOS как наиболее распространенный процесс производства полупроводников для компьютеров в 1980-х годах. [23]
В 1980-х годах микропроцессоры CMOS обогнали микропроцессоры NMOS. [24] Космический корабль НАСА «Галилео» , отправленный на орбиту Юпитера в 1989 году, использовал микропроцессор RCA 1802 CMOS из-за низкого энергопотребления. [22]
Intel представила технологию 1,5 мкм для производства полупроводниковых КМОП-устройств в 1983 году. [30] В середине 1980-х годов Бижан Давари из IBM разработал высокопроизводительную низковольтную субмикронную КМОП-технологию, которая позволила разработать более быстрые компьютеры. а также портативные компьютеры и портативная электроника с батарейным питанием . [31] В 1988 году Давари возглавил команду IBM, которая продемонстрировала высокопроизводительную 250-нанометровую КМОП-технологию. [32]
Fujitsu вывела на рынок КМОП-процесс 700 нм в 1987 году, [30] а затем Hitachi, Mitsubishi Electric , NEC и Toshiba начали коммерциализировать КМОП- процесс 500 нм в 1989 году. нм КМОП. Hitachi представила КМОП-технологию 160 нм в 1995 году, затем Mitsubishi представила 150- нм КМОП-технологию в 1996 году, а затем Samsung Electronics представила 140- нм КМОП-технологию в 1999 году. [33]
В 2000 году Гуртей Сингх Сандху и Трунг Т. Доан из Micron Technology изобрели диэлектрические пленки с высоким κ для атомно-слоевого осаждения , что привело к разработке экономически эффективного 90-нм КМОП-процесса. [31] [34] Toshiba и Sony разработали 65-нм техпроцесс КМОП в 2002 году, [35] а затем TSMC инициировала разработку 45-нм КМОП-логики в 2004 году. [36] Разработка паттерна с двойным шагом тона Гуртеджем Сингхом Сандху из Micron Технология привела к разработке КМОП класса 30 нм в 2000-х годах. [31]
КМОП используется в большинстве современных устройств БИС и СБИС . [ 23 ] По состоянию на 2010 год процессоры с лучшей производительностью на ватт каждый год были КМОП- статической логикой с 1976 года. заменена непланарной технологией FinFET , которая способна производить полупроводниковые узлы размером менее 20 нм. [37]
«CMOS» относится как к определенному стилю проектирования цифровых схем, так и к семейству процессов, используемых для реализации этих схем на интегральных схемах (чипах). Схема КМОП рассеивает меньше энергии , чем логические семейства с резистивной нагрузкой. Поскольку это преимущество возросло и стало более важным, КМОП-процессы и их варианты стали доминировать, поэтому подавляющее большинство современных интегральных схем производятся на КМОП-процессах. [38] Логика КМОП потребляет около одной седьмой мощности логики НМОП , [23] и около 0,00001% мощности биполярной транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). [39] [40]
В схемах КМОП используется комбинация полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET) p-типа и n-типа для реализации логических вентилей и других цифровых схем. Хотя логику КМОП можно реализовать с помощью дискретных устройств для демонстрации, коммерческие продукты КМОП представляют собой интегральные схемы, состоящие из миллиардов транзисторов обоих типов на прямоугольном куске кремния площадью от 10 до 400 мм 2 . [ нужна цитата ]
В КМОП всегда используются все МОП-транзисторы расширенного режима (другими словами, нулевое напряжение затвор-исток выключает транзистор). [41]
КМОП-схемы построены таким образом, что все металлооксидно-полупроводниковые (ПМОП) транзисторы P-типа должны иметь вход либо от источника напряжения, либо от другого ПМОП-транзистора. Аналогично, все NMOS- транзисторы должны иметь вход либо от земли, либо от другого NMOS-транзистора. Состав PMOS-транзистора создает низкое сопротивление между его контактами истока и стока при подаче низкого напряжения на затвор и высокое сопротивление при подаче высокого напряжения на затворе. С другой стороны, состав NMOS-транзистора создает высокое сопротивление между истоком и стоком при низком напряжении на затворе и низкое сопротивление при приложении высокого напряжения на затворе. КМОП обеспечивает снижение тока, дополняя каждый nMOSFET pMOSFET и соединяя оба затвора и оба стока вместе. Высокое напряжение на затворах приведет к тому, что n-MOSFET будет проводить ток, а p-MOSFET - нет, тогда как низкое напряжение на затворах приведет к обратному. Такое расположение значительно снижает энергопотребление и выделение тепла. Однако во время переключения как pMOS, так и nMOS MOSFET проводят короткое время, когда напряжение на затворе переходит из одного состояния в другое. Это вызывает кратковременный всплеск энергопотребления и становится серьезной проблемой на высоких частотах.
На соседнем изображении показано, что происходит, когда вход подключен как к PMOS-транзистору (верхняя часть диаграммы), так и к NMOS-транзистору (нижняя часть диаграммы). Vdd — это некоторое положительное напряжение, подключенное к источнику питания, а Vss — это земля. A — вход, а Q — выход.
Когда напряжение A низкое (т.е. близкое к Vss), канал NMOS-транзистора находится в состоянии высокого сопротивления, отключая Vss от Q. Канал PMOS-транзистора находится в состоянии низкого сопротивления, соединяя Vdd с Q. Q, следовательно, регистрирует Вдд.
С другой стороны, когда напряжение A высокое (т.е. близкое к Vdd), PMOS-транзистор находится в состоянии высокого сопротивления, отключая Vdd от Q. NMOS-транзистор находится в состоянии низкого сопротивления, подключая Vss к Q. Теперь , Q регистрирует Vss.
Короче говоря, выходы PMOS и NMOS-транзисторов дополняют друг друга, так что, когда входной сигнал низкий, выходной сигнал высокий, а когда входной высокий уровень, выходной сигнал низкий. Независимо от того, какой входной сигнал, выход никогда не остается плавающим (заряд никогда не сохраняется из-за емкости провода и отсутствия электрического стока/земли). Из-за такого поведения входа и выхода выход КМОП-схемы является инверсным по отношению к входу.
Сопротивление транзисторов никогда не бывает точно равным нулю или бесконечности, поэтому Q никогда не будет точно равно Vss или Vdd, но Q всегда будет ближе к Vss, чем A к Vdd (или наоборот, если бы A было близко к Vss). Без этого усиления был бы очень низкий предел количества логических элементов, которые можно было бы соединить последовательно, и логика КМОП с миллиардами транзисторов была бы невозможна.
Контакты питания для CMOS называются V DD и V SS или V CC и Ground (GND) в зависимости от производителя. V DD и V SS являются переносчиками традиционных МОП-схем и обозначают источники стока и истока. [42] Это не относится непосредственно к CMOS, поскольку оба источника питания на самом деле являются источниками питания. V CC и Ground являются перенесенными из логики TTL , и эта номенклатура была сохранена с появлением линейки CMOS 54C/74C.
Важной характеристикой схемы КМОП является двойственность, существующая между ее PMOS-транзисторами и NMOS-транзисторами. Схема КМОП создана для того, чтобы всегда существовал путь от выхода к источнику питания или земле. Для этого набор всех путей к источнику напряжения должен дополнять набор всех путей к земле. Этого можно легко достичь, определив одно в терминах НЕ другого. В соответствии с логикой, основанной на законах Де Моргана , параллельно включенные PMOS-транзисторы имеют соответствующие NMOS-транзисторы, включенные последовательно, в то время как последовательные PMOS-транзисторы имеют соответствующие параллельные NMOS-транзисторы.
Более сложные логические функции, такие как те, которые включают элементы И и ИЛИ, требуют манипулирования путями между элементами для представления логики. Когда цепь состоит из двух последовательно соединенных транзисторов, оба транзистора должны иметь низкое сопротивление соответствующему напряжению питания, моделируя И. Когда цепь состоит из двух транзисторов, включенных параллельно, один или оба транзистора должны иметь низкое сопротивление для подключения напряжения питания к выходу, моделируя ИЛИ.
Справа показана принципиальная схема вентиля И-НЕ в логике КМОП. Если на обоих входах A и B высокий уровень, то оба NMOS-транзистора (нижняя половина диаграммы) будут проводить ток, ни один из PMOS-транзисторов (верхняя половина) не будет проводить ток, и между выходом и V будет установлен проводящий путь. ss (земля), понижая выходной уровень. Если на обоих входах A и B низкий уровень, то ни один из NMOS-транзисторов не будет проводить ток, в то время как оба PMOS-транзистора будут проводить ток, создавая проводящий путь между выходом и V dd (источник напряжения), повышая выходной сигнал. Если на любом из входов A или B низкий уровень, один из NMOS-транзисторов не будет проводить ток, один из PMOS-транзисторов будет проводить ток, и между выходом и V dd (источником напряжения) будет установлен проводящий путь, в результате чего выходной сигнал станет высоким. Поскольку единственная конфигурация двух входов, которая приводит к низкому выходному сигналу, — это когда оба имеют высокий уровень, эта схема реализует логический вентиль И- НЕ (НЕ И).
Преимущество КМОП перед логикой NMOS заключается в том, что выходные переходы как от низкого к высокому, так и от высокого к низкому происходят быстро, поскольку подтягивающие транзисторы (PMOS) имеют низкое сопротивление при включении, в отличие от нагрузочных резисторов в логике NMOS. Кроме того, выходной сигнал перемещает полное напряжение между шинами низкого и высокого уровня. Этот сильный, более почти симметричный отклик также делает КМОП более устойчивым к шуму.
См. «Логическое усилие» , чтобы узнать о методе расчета задержки в схеме КМОП.
В этом примере показано логическое устройство NAND , нарисованное как физическое представление в том виде, в котором оно будет изготовлено. Физическая перспектива макета — это вид стопки слоев «с высоты птичьего полета». Схема построена на подложке P-типа . Поликремний , диффузионный и n-луночный слои называются «базовыми слоями» и фактически вставляются в углубления подложки P-типа. (См. этапы 1–6 на схеме процесса внизу справа.) Контакты проникают через изолирующий слой между базовыми слоями и первым слоем металла (металл1), образуя соединение.
Входы NAND ( показаны зеленым цветом) выполнены из поликремния. Транзисторы (устройства) образуются путем пересечения поликремния и диффузии; Диффузия N для устройства N и диффузия P для устройства P (показаны оранжевым и желтым цветом соответственно). Выход («выход») соединен между собой металлом (показан голубым цветом). Соединения между металлом и поликремнием или диффузия осуществляются через контакты (показаны черными квадратами). Пример физической компоновки соответствует логической схеме NAND, приведенной в предыдущем примере.
Устройство N изготавливается на подложке P-типа, а устройство P изготавливается в лунке N-типа (n-well). «Отвод» подложки P-типа подключен к V SS , а n-луночный отвод N-типа подключен к V DD , чтобы предотвратить защелкивание .
Логика КМОП рассеивает меньше энергии, чем логические схемы НМОП, поскольку КМОП рассеивает мощность только при переключении («динамическая мощность»). В типичном ASIC , изготовленном по современному 90-нанометровому процессу, переключение выхода может занять 120 пикосекунд и происходит раз в десять наносекунд. Логика NMOS рассеивает мощность всякий раз, когда транзистор включен, поскольку существует путь тока от V dd до V ss через нагрузочный резистор и сеть n-типа.
Статические КМОП-вентили очень энергоэффективны, поскольку в режиме ожидания они рассеивают почти нулевую мощность. Раньше энергопотребление КМОП-устройств не было основной проблемой при проектировании микросхем. В параметрах конструкции доминировали такие факторы, как скорость и площадь. Поскольку технология КМОП вышла за пределы субмикронного уровня, энергопотребление на единицу площади чипа значительно возросло.
В широком смысле рассеивание мощности в КМОП-схемах происходит из-за двух компонентов: статического и динамического:
И NMOS, и PMOS транзисторы имеют пороговое напряжение затвор-исток (Vth ) , ниже которого ток (называемый подпороговым током) через устройство падает экспоненциально. Исторически сложилось так, что конструкции КМОП работали при напряжении питания, намного превышающем их пороговое напряжение (V dd могло составлять 5 В, а V th как для NMOS, так и для PMOS могло составлять 700 мВ). Особым типом транзистора, используемого в некоторых КМОП-схемах, является собственный транзистор с пороговым напряжением , близким к нулю .
SiO 2 — хороший изолятор, но на очень малых уровнях толщины электроны могут туннелировать через очень тонкую изоляцию; вероятность падает экспоненциально с толщиной оксида. Туннельный ток становится очень важным для транзисторов с технологией менее 130 нм и оксидами затвора толщиной 20 Å или тоньше.
Небольшие обратные токи утечки образуются из-за образования обратного смещения между диффузионными областями и ямами (например, диффузия p-типа по сравнению с n-ямой), ямами и подложкой (например, n-лунка по сравнению с p-подложкой). В современных процессах утечка диода очень мала по сравнению с подпороговыми и туннельными токами, поэтому ими можно пренебречь при расчете мощности.
Если соотношения не совпадают, то могут быть разные токи PMOS и NMOS; это может привести к дисбалансу, и, следовательно, неправильный ток приведет к нагреву CMOS и ненужному рассеиванию мощности. Кроме того, недавние исследования показали, что мощность утечки снижается из-за эффектов старения в качестве компромисса для устройств, которые становятся медленнее. [43]
Для ускорения проектирования производители перешли на конструкции с более низкими порогами напряжения, но из-за этого современный NMOS-транзистор с Vth 200 мВ имеет значительный подпороговый ток утечки. Конструкции (например, процессоры для настольных ПК), которые включают большое количество схем, которые не переключаются активно, все равно потребляют энергию из-за этого тока утечки. Мощность утечки составляет значительную часть общей мощности, потребляемой такими конструкциями. Многопороговая КМОП (MTCMOS), которую теперь можно приобрести на литейных заводах, является одним из подходов к управлению мощностью утечки. В MTCMOS транзисторы с высоким напряжением используются , когда скорость переключения не является критической, тогда как транзисторы с низким напряжением используются в чувствительных к скорости трактах. Дальнейшие технологические достижения, в которых используются еще более тонкие диэлектрики затвора, имеют дополнительный компонент утечки из-за туннелирования тока через чрезвычайно тонкий диэлектрик затвора. Использование диэлектриков с высоким κ вместо диоксида кремния , который является обычным диэлектриком затвора, обеспечивает аналогичные характеристики устройства, но с более толстым изолятором затвора, что позволяет избежать этого тока. Сокращение мощности утечки за счет использования новых материалов и конструкции системы имеет решающее значение для обеспечения масштабируемости КМОП. [44]
КМОП-схемы рассеивают мощность, заряжая различные емкости нагрузки (в основном емкость затвора и проводов, а также емкости стока и некоторые емкости истока) при каждом переключении. За один полный цикл КМОП-логики ток течет от V DD 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 зарядки/разрядки общее количество Q=C L V DD передается от V DD на землю. Умножьте на частоту переключения нагрузочных емкостей, чтобы получить используемый ток, и еще раз умножьте на среднее напряжение, чтобы получить характеристическую мощность переключения, рассеиваемую КМОП-устройством: .
Поскольку большинство вентилей не срабатывают/переключаются в каждом такте , они часто сопровождаются фактором , называемым коэффициентом активности. Теперь динамическую рассеиваемую мощность можно переписать как .
Часы в системе имеют коэффициент активности α = 1, поскольку они увеличиваются и уменьшаются в каждом цикле. Большинство данных имеют коэффициент активности 0,1. [45] Если правильная емкость нагрузки оценена на узле вместе с его коэффициентом активности, динамическое рассеивание мощности в этом узле может быть эффективно рассчитано.
Поскольку время нарастания/спада как для pMOS, так и для nMOS ограничено, во время перехода, например, из выключенного состояния во включенное, оба транзистора будут включены в течение небольшого периода времени, в течение которого ток найдет путь непосредственно от V DD до землю, создавая тем самым ток короткого замыкания , иногда называемый током лома . Рассеяние мощности короткого замыкания увеличивается с увеличением времени нарастания и спада транзисторов.
Этот вид энергопотребления стал значительным в 1990-х годах, когда провода на кристалле стали уже, а длинные провода стали более резистивными. КМОП-вентили на концах этих резистивных проводов видят медленные входные переходы. Тщательная конструкция, позволяющая избежать использования длинных тонких проводов со слабым приводом, уменьшает этот эффект, но мощность «лома» может составлять существенную часть динамической мощности КМОП.
Паразитные транзисторы, присущие КМОП-структуре, могут быть включены входными сигналами, выходящими за пределы нормального рабочего диапазона, например, электростатическими разрядами или отражениями в линии . Возникающая в результате фиксация может повредить или вывести из строя устройство CMOS. Для обработки этих сигналов в схемах КМОП включены фиксирующие диоды. В паспортах производителей указан максимально допустимый ток, который может протекать через диоды.
Помимо цифровых приложений, технология КМОП также используется в аналоговых приложениях. Например, на рынке доступны микросхемы операционных усилителей КМОП. Передающие вентили могут использоваться в качестве аналоговых мультиплексоров вместо реле сигналов . Технология КМОП также широко используется в радиочастотных схемах вплоть до сверхвысокочастотных, в приложениях со смешанными сигналами (аналоговый + цифровой). [ нужна цитата ]
RF CMOS относится к радиочастотным схемам ( радиочастотным схемам), которые основаны на технологии интегральных схем CMOS со смешанными сигналами . Они широко используются в технологиях беспроводной связи . RF CMOS был разработан Асадом Абиди во время работы в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в конце 1980-х годов. Это изменило способ проектирования радиочастотных схем, что привело к замене дискретных биполярных транзисторов интегральными схемами КМОП в радиоприемопередатчиках . [46] Это позволило создать сложные, недорогие и портативные терминалы для 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 помогло совершить революцию в области беспроводной связи , приведшую к быстрому росту беспроводной индустрии. [47]
Процессоры основной полосы частот [48] [49] и радиоприемопередатчики во всех современных беспроводных сетевых устройствах и мобильных телефонах массово производятся с использованием RF CMOS-устройств. [46] RF CMOS-схемы широко используются для передачи и приема беспроводных сигналов в различных приложениях, таких как спутниковые технологии (например, GPS ), Bluetooth , Wi-Fi , связь ближнего радиуса действия (NFC), мобильные сети (например, как 3G и 4G ), наземное вещание и автомобильные радары , а также другие области применения. [50]
Примеры коммерческих чипов RF CMOS включают беспроводные телефоны Intel DECT и чипы 802.11 ( Wi-Fi ), созданные Atheros и другими компаниями. [51] Коммерческие продукты RF CMOS также используются в сетях Bluetooth и беспроводных локальных сетях (WLAN). [52] RF CMOS также используется в радиоприемопередатчиках для беспроводных стандартов, таких как GSM , Wi-Fi и Bluetooth, в приемопередатчиках для мобильных сетей, таких как 3G, и в удаленных устройствах в беспроводных сенсорных сетях (WSN). [53]
Технология RF CMOS имеет решающее значение для современной беспроводной связи, включая беспроводные сети и устройства мобильной связи . Одной из компаний, которая коммерциализировала технологию RF CMOS, была Infineon . Ежегодно продается более 1 миллиарда единиц CMOS RF-переключателей , а по состоянию на 2018 год совокупный объем продаж достигает 5 миллиардов единиц [обновлять]. [54]
Обычные КМОП-устройства работают в диапазоне от –55 °C до +125 °C.
Еще в августе 2008 года были теоретические указания на то, что кремниевые КМОП будут работать при температуре до -233 ° C (40 К ). [55] Рабочая температура около 40 К с тех пор была достигнута с использованием разогнанных процессоров AMD Phenom II с сочетанием охлаждения жидким азотом и жидким гелием . [56]
Устройства CMOS из карбида кремния тестировались в течение года при температуре 500 °C. [57] [58]
Сверхмалые (L = 20 нм, W = 20 нм) МОП-транзисторы достигают одноэлектронного предела при работе при криогенной температуре в диапазоне от -269 ° C (4 К ) до примерно -258 ° C (15 К ). В транзисторе наблюдается кулоновская блокада из-за прогрессирующей зарядки электронов один за другим. Количество электронов, удерживаемых в канале, определяется напряжением на затворе, начиная с заполнения нуля электронов, и его можно установить равным одному или нескольким. [59]
Те из нас, кто активно занимался исследованиями кремниевых материалов и устройств в 1956–1960 годах, считали эту успешную попытку группы Bell Labs во главе с Аталлой по стабилизации поверхности кремния самым важным и значительным технологическим достижением, которое проложило путь, который привел к созданию технологии кремниевых интегральных схем. разработки на втором этапе и массовое производство на третьем этапе.
Главным отличием является мощность: КМОП-вентили могут потреблять примерно в 100 000 раз меньше энергии, чем их ТТЛ-эквиваленты!
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )