Технология CMOS в полупроводниках¶
CMOS (англ. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, «комплементарная металл-оксид-полупроводниковая») — технология производства интегральных схем, в которой совместно используются транзисторы двух типов: n-канальные (NMOS) и p-канальные (PMOS), работающие в дополнительном (комплементарном) режиме. Основное достоинство схемотехники CMOS — крайне низкое энергопотребление в статическом режиме: ток течёт лишь в момент переключения логических состояний. Именно на этой технологии построено подавляющее большинство современных микросхем — процессоры, оперативная память, микроконтроллеры, периферийные контроллеры.
¶Принцип работы
Комплементарная пара состоит из p-канального и n-канального МОП-транзисторов, соединённых последовательно между шинами питания. В простейшей инвертирующей схеме (НЕ) при подаче логического нуля на вход открыт p-канальный транзистор, и выход соединяется с шиной питания; при подаче единицы открыт n-канальный транзистор, и выход подключается к земле. В установившемся состоянии один из транзисторов всегда закрыт, поэтому сквозной ток от источника питания к земле практически отсутствует — возникает только малый ток утечки.
Энергопотребление CMOS-схемы пропорционально частоте переключения и ёмкости нагрузки: P = C·V²·f, где C — суммарная ёмкость узлов, V — напряжение питания, f — частота тактирования. Поэтому с ростом частоты и снижением напряжения питания энергопотребление растёт, а снижение V² даёт главный выигрыш при масштабировании техпроцесса.
¶История
Идея комплементарной схемотехники была предложена в 1963 году Фрэнком Ванласом и Чаном Мэем из компании Fairchild Semiconductor. Ранее, в 1962 году, аналогичный принцип исследовался в RCA. Долгое время CMOS считалась «медленной» и дорогой альтернативой NMOS-технологии, применявшейся в первых микропроцессорах Intel (8080, 8086). Перелом наступил в 1980-е годы, когда с ростом интеграции статические потери стали сопоставимы с динамическими, а требования к энергопотреблению мобильных устройств вышли на первый план. Процессор Motorola 68000 и линейка RISC-процессоров SPARC уже в конце 1980-х были выполнены в CMOS. К середине 1990-х годов CMOS полностью вытеснила NMOS в массовом производстве логических микросхем.
¶Технологические особенности
¶Структура транзистора
Классический MOSFET состоит из подложки (кремний с примесями), двух областей истока и стока с противоположной проводимостью, затворного диэлектрика (исторически SiO₂, в современных узких техпроцессах — высокодиэлектрические материалы, high-κ) и металлического затвора. В n-канальном транзисторе подложка легирована акцептором (p-тип), в p-канальном — донором (n-тип).
¶Масштабирование
Техпроцессы CMOS измеряются по так называемому «узлу» — числу в нанометрах, которое исторически соответствовало длине канала затвора. С начала 2000-х названия техпроцессов (14 нм, 7 нм, 5 нм, 3 нм) перестали соответствовать реальным физическим размерам и стали маркетинговым обозначением поколений. Ключевые этапы: переход на медные соединения (замена алюминия, 1997 год, IBM), применение напряжённых кремниевых подложек (strained silicon), трёхмерные транзисторы FinFET (с 2011 года, Intel), переход на кремний на изоляторе (SOI) и кольцевые транзисторы GAAFET, разрабатываемые для узлов 2 нм и тоньше.
¶Утечки тока
С уменьшением размеров каналов растут туннельные утечки через затворной диэлектрик и токи утечки в выключенном состоянии. Для их подавления применяются материалы high-κ (гафний оксид), работы по снижению порогового напряжения, а также архитектурные приёмы — отключение неиспользуемых блоков (power gating), понижение напряжения (DVFS).
¶Применение
CMOS-технология является базовой для производства:
- микропроцессоров и микроконтроллеров;
- оперативной памяти DRAM и статической памяти SRAM;
- цифровых сигнальных процессоров и графических ускорителей;
- микросхем памяти EEPROM и Flash;
- аналоговых и смешанных схем — операционных усилителей, компараторов, аналого-цифровых преобразователей;
- схем сопряжения и периферийных контроллеров;
- сенсорных и MEMS-устройств.
Отдельную нишу занимает CMOS-фотоматрица (ПЗС-замена) — активные матрицы на основе транзисторов, применяемые в цифровых фото- и видеокамерах, смартфонах, автомобильных системах. Технология CMOS также лежит в основе производства датчиков излучения, радиочастотных микросхем и силовой электроники (BCD-процессы — BCD: Bipolar-CMOS-DMOS).
¶Достоинства и ограничения
К достоинствам относятся: низкое статическое энергопотребление, высокая плотность интеграции, широкий диапазон рабочих напряжений, совместимость аналоговой и цифровой функциональности на одном кристалле, технологическая масштабируемость. Ограничения: чувствительность к электростатическому разряду (ESD), паразитные явления — «залипание» транзисторов (latch-up) при появлении паразитных тиристорных структур, сложность проектирования аналоговых узлов по сравнению с дискретными решениями.
¶См. также
- МОП-транзистор
- Полупроводниковая промышленность
- Техпроцесс
- FinFET
¶Источники
- Weste N., Harris D. CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective. — 4th ed. — Addison-Wesley, 2011.
- Baker R. J. CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation. — Wiley-IEEE Press.
- Материалы IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).
- Статьи IEEE Journal of Solid-State Circuits.