CMOS¶

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) — это технология построения логических интегральных схем (ИС), основанная на использовании полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов) с каналами разного типа проводимости (p-канальных и n-канальных). Ключевой особенностью CMOS-технологии является крайне низкое энергопотребление в статическом состоянии, так как ток через комплементарную пару транзисторов протекает только в момент переключения логического состояния. Технология является доминирующей в современной микроэлектронике и используется для производства микропроцессоров, микросхем памяти, логических микросхем, а также сенсоров изображения (CMOS-матриц).

¶История

¶Предпосылки и ранние разработки

До появления CMOS в цифровой электронике доминировали биполярные транзисторно-транзисторные логические схемы (ТТЛ) и логика на основе n-канальных МОП-транзисторов (nМОП). Основным недостатком этих технологий было высокое статическое энергопотребление: в ТТЛ-схемах ток протекал через резисторы и открытые транзисторы даже в отсутствие переключений, а nМОП-логика требовала токов для поддержания логического нуля.

¶Изобретение и первые реализации

Концепция комплементарной (дополняющей) пары транзисторов была предложена и запатентована в 1963 году американским инженером Фрэнком Ванлассом (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor. В том же году он совместно с Чих-Тан Са (Chih-Tang Sah) продемонстрировал первую работающую интегральную схему на основе КМОП-логики — трёхвходовой логический элемент И-НЕ. Однако из-за сложности технологического процесса (требовалось изолировать транзисторы разного типа проводимости на одном кристалле) и высокой стоимости производства первые коммерческие CMOS-микросхемы появились только в конце 1960-х годов.

¶Коммерциализация и распространение

Первую серийную CMOS-микросхему (серия CD4000) выпустила компания RCA в 1968 году. Эти микросхемы отличались крайне низким энергопотреблением и широким диапазоном питающих напряжений (от 3 до 15 В), что делало их идеальными для использования в портативных устройствах, автомобильной электронике и часах. В 1970-х годах CMOS-технология начала вытеснять nМОП в часах и калькуляторах, где решающим фактором была длительная работа от батарей.

¶Эра микропроцессоров

В 1980-х годах, с ростом плотности транзисторов на кристалле, тепловыделение стало критической проблемой для nМОП-логики. Ключевым моментом стало создание в 1985 году компанией Intel 32-битного микропроцессора Intel 80386, который изначально планировался на nМОП, но из-за перегрева был переведён на CMOS-технологию. Это продемонстрировало, что CMOS может работать на высоких частотах, при этом потребляя значительно меньше энергии. С этого момента CMOS-технология стала стандартом для всех высокопроизводительных процессоров.

¶Принцип работы

¶Комплементарная пара

Основой CMOS-логики является комплементарная пара полевых транзисторов: один с каналом p-типа (p-МОП), другой с каналом n-типа (n-МОП). Затворы обоих транзисторов соединены вместе и образуют вход логического элемента. Стоки также соединены и образуют выход.

¶Статическое состояние

В статическом состоянии (когда входной сигнал не изменяется) один из транзисторов всегда закрыт, а другой — открыт. Если на вход подан высокий логический уровень (логическая «1»), n-МОП-транзистор открывается, а p-МОП-транзистор закрывается. Выход подключается к земле (логический «0»). Если на вход подан низкий уровень (логический «0»), закрывается n-МОП, а открывается p-МОП, и выход подключается к напряжению питания (логическая «1»). Таким образом, в цепи питания и земли не возникает сквозного тока, кроме незначительных токов утечки.

¶Динамическое состояние

Ток потребления возникает только в момент переключения логического состояния, когда оба транзистора на короткое время оказываются частично открытыми. Этот ток, называемый сквозным током, а также ток, затрачиваемый на перезарядку паразитных ёмкостей (ёмкостей затворов и межсоединений), и определяет динамическое энергопотребление CMOS-схемы. Оно прямо пропорционально частоте переключения, ёмкости нагрузки и квадрату напряжения питания.

¶Архитектура и устройство

¶Логические элементы

На базе комплементарных пар строятся все базовые логические элементы: инвертор (НЕ), И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Более сложные элементы (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ) строятся путём комбинации базовых. Каждый логический элемент содержит две сети транзисторов: pull-up (подтяжка к питанию), состоящую из p-МОП-транзисторов, и pull-down (подтяжка к земле), состоящую из n-МОП-транзисторов.

¶Технологический процесс

Производство CMOS-микросхем включает в себя множество этапов фотолитографии, легирования, осаждения и травления. Основные элементы:

• Подложка: обычно кремниевая пластина p-типа.
• Карманы (wells): для размещения p-МОП-транзисторов в подложке n-типа создаются n-карманы (n-well), а для n-МОП — p-карманы (p-well) в подложке n-типа или прямо в p-подложке.
• Изоляция: для разделения транзисторов используется технология LOCOS (локальное окисление кремния) или более современная STI (глубокая щелевая изоляция).
• Затвор: изготавливается из поликристаллического кремния (поликремния), а в современных техпроцессах (начиная с 45 нм) — из металла (high-k/metal gate).
• Сток и исток: формируются путём ионной имплантации примесей.
• Межсоединения: металлические слои (алюминий, медь), изолированные диэлектриком, соединяют транзисторы в логические схемы.

¶Масштабирование (закон Мура)

На протяжении десятилетий размеры транзисторов в CMOS-технологии неуклонно уменьшались, следуя эмпирическому закону Мура. Это позволяло удваивать количество транзисторов на кристалле каждые 2 года, увеличивая производительность и снижая стоимость одного транзистора. Однако, начиная с техпроцессов 20 нм и ниже, возникли серьёзные физические ограничения, такие как токи утечки, квантово-механические эффекты и сложность литографии. Для их преодоления были внедрены технологии FinFET (трёхмерные транзисторы), а затем и Gate-All-Around (GAA) (транзисторы с кольцевым затвором).

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Низкое статическое энергопотребление: ток потребляется только в динамике, что делает CMOS идеальным для батарейных устройств.
• Высокая помехоустойчивость: широкий запас по логическим уровням (обычно 30-40% от напряжения питания).
• Широкий диапазон питающих напряжений: классические CMOS-микросхемы (например, серия 4000) работают от 3 до 15 В.
• Высокая плотность компоновки: возможность размещать миллиарды транзисторов на одном кристалле.
• Технологичность: хорошо поддаётся автоматизированному проектированию (EDA) и масштабированию.

¶Недостатки

• Динамическое энергопотребление растёт с частотой: на высоких частотах (гигагерцы) потребление энергии становится значительным, что требует сложных систем охлаждения.
• Чувствительность к статическому электричеству: входные цепи имеют высокое входное сопротивление и могут быть повреждены электростатическими разрядами (ESD).
• Сложность производства: современные нанометровые техпроцессы требуют дорогостоящего оборудования и чистых помещений.
• Проблема защёлкивания (latch-up): паразитные биполярные транзисторы, образующиеся в структуре CMOS, могут при определённых условиях (например, при бросках напряжения) образовывать тиристорный эффект, приводящий к короткому замыканию и выходу схемы из строя. Современные технологии минимизируют этот риск.

¶Применение

¶Цифровая логика

CMOS является базовой технологией для всех современных цифровых микросхем:

• Микропроцессоры и микроконтроллеры: центральные процессоры для компьютеров, смартфонов, бытовой техники.
• Микросхемы памяти: статическая память (SRAM), динамическая память (DRAM), флеш-память (NAND, NOR).
• Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС): FPGA, CPLD.
• Логические микросхемы малой и средней степени интеграции: серии 4000, 74HC, 74HCT, 74AC.

¶Аналоговые и смешанные схемы

CMOS-технология также используется для создания аналоговых схем, таких как операционные усилители, компараторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП/ЦАП), а также схемы управления питанием (DC-DC преобразователи, LDO-стабилизаторы).

¶Сенсоры изображения (CMOS-матрицы)

В 1990-х годах CMOS-технология начала вытеснять ПЗС-матрицы (CCD) в качестве светочувствительных элементов в цифровых камерах. К преимуществам CMOS-матриц относятся: более низкое энергопотребление, возможность интеграции схем обработки сигнала на одном кристалле, более высокая скорость считывания и меньшая стоимость производства. К 2020-м годам CMOS-матрицы полностью доминируют на рынке цифровых фотоаппаратов, смартфонов, видеокамер и систем машинного зрения.

¶Специализированные интегральные схемы (ASIC)

Для конкретных задач (например, обработка сигналов в сотовых телефонах, управление двигателями, криптография) разрабатываются заказные CMOS-микросхемы, оптимизированные по производительности, энергопотреблению и стоимости.

¶Перспективы развития

Несмотря на приближение к физическим пределам масштабирования, развитие CMOS-технологии продолжается. Основные направления:

• Новые материалы: внедрение материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) для затвора, металлических затворов, двумерных материалов (графен, дисульфид молибдена).
• Трёхмерная интеграция: размещение транзисторов в несколько слоёв (3D NAND, 3D IC) для увеличения плотности и снижения длины соединений.
• Гетерогенная интеграция: объединение на одном кристалле или в одном корпусе различных технологий (CMOS, кремний-германий, арсенид галлия, фотоника).
• Квантовые вычисления: CMOS-технология рассматривается как основа для создания управляющей электроники для квантовых процессоров.

¶Источники

• Wanlass, F. M. (1963). "Low Stand-By Power Complementary Field Effect Transistor Circuit". U.S. Patent 3,356,858.
• Weste, N. H. E., & Harris, D. (2010). CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective (4th ed.). Addison-Wesley.
• Baker, R. J. (2010). CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation (3rd ed.). Wiley-IEEE Press.
• Mead, C., & Conway, L. (1980). Introduction to VLSI Systems. Addison-Wesley.
• Moore, G. E. (1965). "Cramming more components onto integrated circuits". Electronics, 38(8), 114-117.
• International Roadmap for Devices and Systems (IRDS). (2022). More Moore White Paper.