Loading AI tools
Из Википедии, свободной энциклопедии
КМОП (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник; англ. CMOS, complementary metal–oxide–semiconductor) — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем выполнены по технологии КМОП.
В более общем случае название — КМДП (со структурой металл — диэлектрик — полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости, причём в качестве изолятора затвора обычно используется плёнка диоксида кремния, образованная контролируемым окислением кислородом поверхности кремниевого кристалла.
Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (таких как ТТЛ, ЭСЛ и других) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия от источника питания потребляется только во время переключения логических состояний). Другая особенность структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) — использование как n-, так и p-канальных полевых транзисторов, локализованных в одном месте кристалла. Вследствие меньшего расстояния между элементами, КМОП-схемы обладают бо́льшим быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом технологический процесс изготовления более сложный и площадь занимаемая логическим вентилем на кристалле больше.
По аналогичной технологии выпускаются дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).
Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас[англ.] из компании Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968.
Долгое время КМОП рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ, поэтому микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах, калькуляторах и других устройствах с батарейным питанием, где энергопотребление было критичным.
К 1990 году с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеивания энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в выигрышном положении. Со временем были достигнуты скорость переключения и плотность монтажа, недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах.
Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы для электростатических разрядов. Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.
Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий. Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний.
Для примера рассмотрим работу схемы вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.
В схеме нет никаких нагрузочных резисторов, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только малые токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень низкое. При переключениях состояний электрическая энергия тратится в основном на перезаряд ёмкостей затворов и паразитных ёмкостей проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность оказывается пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).
На рисунке конфигурации микросхемы 2И-НЕ показано, что в ней используются два полевых транзистора с разным типом проводимости канала. Верхний полевой транзистор формирует высокий уровень на выходе логического элемента, если любой из затворов имеет низкий уровень, а нижний полевой транзистор формирует высокий уровень на выходе логического элемента, если оба затвора имеют высокий уровень.
Поскольку переключение n-канальных и p-канальных транзисторов занимает конечное время, на короткое время оба типа транзисторов могут быть открыты, и между цепями питания возникает импульсный сквозной ток через последовательно включённые транзисторы. Это приводит к повышению энергопотребления.
Так как затворы МДП-транзисторов имеют большое входное сопротивление, а толщина подзатворного диэлектрика очень мала, электростатический разряд может привести к пробою подзатворного диэлектрика и необратимому выходу микросхемы из строя. Для защиты от статического электричества каждый вывод КМОП-микросхемы оснащают защитной схемой, в которую входят диоды с низким напряжением пробоя, через которые каждый вход соединён с шинами питания. Такие диоды обычно интегрированы в саму микросхему, но могут быть также являться внешним устройством.
Последовательность технологических операций при создании КМОП-логики и профиль легирования кристалла приведены на рисунках.
Для более гибкого применения у ряда производителей существуют также особые семейства, в которых каждая ИМС включает всего 1 логический элемент в 5..6-выводном корпусе, что бывает полезно для конструкций с малым количеством разных элементов и минимальным размером платы (например: 74LVC1G00GW фирмы NXP; SOT353-1 Single 2-Input Positive-AND Gate)
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
