КМОП-технология

КМОП-технология (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) — это технология построения интегральных микросхем, основанная на использовании пар полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов), имеющих каналы разного типа проводимости (n-канал и p-канал). Основным принципом КМОП-логики является то, что в статическом состоянии (при отсутствии переключений) через транзисторную пару практически не протекает ток, что обеспечивает чрезвычайно низкое энергопотребление по сравнению с другими технологиями, такими как ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) или n-МОП. КМОП-технология является доминирующей в современной микроэлектронике и используется для производства подавляющего большинства цифровых и аналоговых интегральных схем, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти (SRAM, DRAM) и сенсоры (КМОП-матрицы).

История развития

Ранние предпосылки и изобретение

Теоретические основы полевых транзисторов были заложены в 1920–1930-х годах Юлиусом Лилиенфельдом и Оскаром Хейлом, однако практическая реализация стала возможной лишь в конце 1950-х годов с развитием планарной технологии. В 1963 году американский инженер Фрэнк Ванласс (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor впервые предложил и запатентовал комплементарную пару МОП-транзисторов, которая потребляла ток только в момент переключения. Первая коммерческая КМОП-микросхема была представлена компанией RCA в 1968 году — это был четырёхбитный сумматор CD4000. Серия 4000 стала первым массовым семейством КМОП-логики.

Преодоление технологических трудностей

В 1960–1970-х годах КМОП-технология уступала по быстродействию биполярным схемам (ТТЛ) из-за более высоких паразитных ёмкостей и меньшей подвижности носителей в полевых транзисторах. Однако её ключевое преимущество — низкое энергопотребление — сделало её незаменимой для портативных устройств, таких как наручные часы и калькуляторы. В 1970-х годах компания Intel использовала КМОП-технологию для создания первых микросхем памяти с низким энергопотреблением. Решающий прорыв произошёл в 1980-х годах, когда масштабирование размеров транзисторов (согласно закону Мура) позволило существенно увеличить быстродействие КМОП-схем, и они начали вытеснять ТТЛ и n-МОП в большинстве применений.

Современный этап

С 1990-х годов КМОП-технология стала абсолютным стандартом для цифровых интегральных схем. Переход на субмикронные (менее 1 мкм), а затем и на нанометровые (менее 100 нм) технологические нормы потребовал решения проблем, связанных с ростом токов утечки, снижением напряжения питания и увеличением тепловыделения. В 2000-х годах были внедрены такие инновации, как кремний-германиевые (SiGe) каналы, high-k диэлектрики (например, гафний) и металлические затворы, что позволило продолжить масштабирование. На 2020-е годы ведущие производители (TSMC, Samsung, Intel) освоили техпроцессы с нормами 5 нм, 3 нм и ведут разработки 2 нм и 1 нм.

Принцип работы и устройство

Базовый элемент — КМОП-инвертор

Основой КМОП-логики является инвертор (логический элемент «НЕ»). Он состоит из двух транзисторов: p-канального (PMOS) и n-канального (NMOS), затворы которых соединены вместе и образуют вход, а стоки — выход. Исток PMOS-транзистора подключён к напряжению питания (Vdd), а исток NMOS — к общему проводу (GND).

При подаче на вход высокого логического уровня («1», близкого к Vdd) NMOS-транзистор открывается, а PMOS-транзистор закрывается. Выход соединяется с GND, устанавливая низкий уровень («0»). При подаче низкого уровня («0») открывается PMOS, а NMOS закрывается, и выход подключается к Vdd, давая высокий уровень. Таким образом, в статическом состоянии один из транзисторов всегда закрыт, и ток через пару практически отсутствует (за исключением ничтожных токов утечки).

Комплементарные пары и логические элементы

Любой логический элемент (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д.) строится на основе комплементарных пар транзисторов. Верхняя часть схемы (pull-up network) состоит из p-канальных транзисторов, которые подключают выход к Vdd, а нижняя часть (pull-down network) — из n-канальных, подключающих выход к GND. Такая структура обеспечивает полные логические уровни и минимальное статическое потребление.

Паразитные ёмкости и динамическое потребление

Основное энергопотребление в КМОП-схемах происходит в момент переключения транзисторов, когда необходимо перезарядить паразитные ёмкости затворов и межсоединений. Мощность, рассеиваемая при переключении, пропорциональна частоте, ёмкости нагрузки и квадрату напряжения питания. Именно поэтому стремление к снижению напряжения питания (с 5 В до 1,2 В и ниже) является одним из главных направлений развития технологии.

Классификация и разновидности

По типу логики

• Статическая КМОП-логика (Static CMOS): классическая реализация, описанная выше. Характеризуется минимальным статическим потреблением и высокой помехоустойчивостью.
• Динамическая КМОП-логика (Dynamic CMOS): использует тактовый сигнал и предварительную зарядку выходных ёмкостей. Позволяет уменьшить количество транзисторов и увеличить быстродействие, но требует более сложного проектирования и имеет повышенное статическое потребление.
• Передающая логика (Pass-Transistor Logic, PTL): использует транзисторы в качестве ключей для передачи сигналов. Позволяет создавать компактные схемы, но может приводить к ухудшению уровней сигнала.

По технологическим нормам

• Микронные (1–0,5 мкм): использовались в 1980–1990-х годах.
• Субмикронные (0,35–0,13 мкм): 1990–2000-е годы.
• Нано-метровые (90 нм – 7 нм): 2000–2020-е годы. Включают такие техпроцессы, как 65 нм, 45 нм, 32 нм, 28 нм, 14 нм, 10 нм, 7 нм.
• Суб-нано-метровые (5 нм и менее): 2020-е годы (5 нм, 3 нм, 2 нм).

По области применения

• Цифровые КМОП-схемы: микропроцессоры, микроконтроллеры, FPGA, ASIC, память.
• Аналоговые КМОП-схемы: операционные усилители, компараторы, АЦП/ЦАП, датчики.
• КМОП-матрицы: светочувствительные сенсоры для цифровых камер, видеокамер и мобильных устройств.
• КМОП-микросхемы с низким энергопотреблением: для портативной и носимой электроники, датчиков IoT.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Чрезвычайно низкое статическое энергопотребление: основной фактор, обеспечивший повсеместное распространение технологии.
• Высокая помехоустойчивость: полные логические уровни (близкие к Vdd и GND).
• Широкий диапазон напряжений питания: от единиц вольт до десятков вольт для некоторых серий.
• Высокая степень интеграции: возможность размещения миллиардов транзисторов на одном кристалле.
• Технологическая совместимость: возможность объединения цифровых и аналоговых блоков на одном чипе (система на кристалле, SoC).

Недостатки

• Чувствительность к статическому электричеству: изоляция затвора очень тонкая, что требует специальных мер защиты при монтаже.
• Проблема токов утечки: при масштабировании размеров (менее 90 нм) возрастают токи утечки через подложку и затвор, что увеличивает статическое потребление.
• Эффект «защёлкивания» (latch-up): паразитный тиристорный эффект, который может привести к короткому замыканию и разрушению схемы; в современных технологиях практически устранён.
• Более низкое быстродействие по сравнению с некоторыми биполярными технологиями (при одинаковых нормах): компенсируется масштабированием.

Применение

КМОП-технология является основой практически всей современной микроэлектроники. Основные области применения:

• Микропроцессоры и микроконтроллеры: все процессоры Intel, AMD, ARM, RISC-V, а также микроконтроллеры для встраиваемых систем.
• Микросхемы памяти: статическая (SRAM) и динамическая (DRAM) память, флеш-память (NAND, NOR).
• Логические микросхемы: программируемые логические интегральные схемы (FPGA, CPLD), заказные ASIC.
• Сенсоры: КМОП-матрицы для цифровых фотоаппаратов и видеокамер (в том числе в смартфонах), датчики изображения для машинного зрения.
• Аналоговые и смешанные схемы: операционные усилители, компараторы, АЦП/ЦАП, драйверы дисплеев.
• Радиочастотные схемы: усилители, смесители, генераторы для беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth, 5G).
• Портативная и носимся электроника: смартфоны, планшеты, умные часы, фитнес-трекеры.
• Автомобильная электроника: блоки управления двигателем, системы помощи водителю (ADAS), информационно-развлекательные системы.
• Промышленная автоматизация и IoT: датчики, контроллеры, радиомодули.

КМОП-матрицы

Особого внимания заслуживает применение КМОП-технологии в фотосенсорах. КМОП-матрица — это тип активного пиксельного сенсора (APS), в котором каждый пиксель содержит не только фотодиод, но и усилитель, а также схему выборки и хранения. Благодаря низкому энергопотреблению, высокой скорости считывания и возможности интеграции с цифровыми цепями обработки на одном кристалле, КМОП-матрицы с начала 2000-х годов практически полностью вытеснили приборы с зарядовой связью (ПЗС) из потребительской электроники. Они используются во всех современных цифровых камерах, смартфонах, веб-камерах и системах машинного зрения.

Перспективы развития

Основные направления развития КМОП-технологии включают:

• Дальнейшее масштабирование: освоение техпроцессов 2 нм, 1 нм и ниже с использованием новых материалов (нанотрубки, графен) и архитектур (транзисторы с вертикальным каналом, GAAFET — Gate-All-Around FET).
• Снижение энергопотребления: внедрение технологий динамического управления напряжением и частотой (DVFS), использование энергонезависимой памяти (MRAM, ReRAM) для снижения статического потребления.
• Развитие гетерогенной интеграции: объединение на одном кристалле цифровых, аналоговых, радиочастотных и силовых блоков, а также различных типов памяти (3D-интеграция).
• Квантовые и пост-кремниевые технологии: исследования в области квантовых точек, спинтроники и других альтернатив традиционным МОП-транзисторам.

Источники

• Wanlass, F. M., & Sah, C. T. (1963). "Nanowatt logic using field-effect metal-oxide semiconductor triodes". 1963 IEEE International Solid-State Circuits Conference.
• Mead, C., & Conway, L. (1980). Introduction to VLSI Systems. Addison-Wesley.
• Weste, N. H. E., & Harris, D. (2010). CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective (4th ed.). Addison-Wesley.
• Sze, S. M., & Ng, K. K. (2006). Physics of Semiconductor Devices (3rd ed.). Wiley-Interscience.
• International Roadmap for Devices and Systems (IRDS). (2023). More Moore.
• Техническая документация компаний Intel, TSMC, Samsung на техпроцессы 7 нм, 5 нм, 3 нм.