CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) là công nghệ chính được sử dụng trong các chip hiện đại vì nó sử dụng bóng bán dẫn NMOS và PMOS cùng nhau để giảm lãng phí điện năng. Nó hỗ trợ các mạch tín hiệu kỹ thuật số, tương tự và hỗn hợp trong bộ xử lý, bộ nhớ, cảm biến và thiết bị không dây. Bài viết này cung cấp thông tin về hoạt động CMOS, các bước chế tạo, mở rộng quy mô, sử dụng điện năng, độ tin cậy và ứng dụng.
Khái niệm cơ bản về công nghệ CMOS
Kim loại – Oxit – Bán dẫn bổ sung (CMOS) là công nghệ chính được sử dụng để xây dựng các mạch tích hợp hiện đại. Nó sử dụng hai loại bóng bán dẫn, NMOS (MOSFET kênh n) và PMOS (MOSFET kênh p), được sắp xếp sao cho khi một bóng bán dẫn bật, loại kia tắt. Hành động bổ sung này giúp cắt giảm điện năng lãng phí trong quá trình hoạt động bình thường.
CMOS giúp bạn có thể đặt một số lượng rất lớn bóng bán dẫn trên một mảnh silicon nhỏ trong khi vẫn giữ được mức sử dụng điện năng và nhiệt ở mức có thể quản lý được. Do đó, công nghệ CMOS được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số, tương tự và tín hiệu hỗn hợp trong nhiều hệ thống điện tử hiện đại, từ bộ xử lý và bộ nhớ đến cảm biến và chip không dây.
Thiết bị MOSFET là cốt lõi của công nghệ CMOS
Trong công nghệ CMOS, MOSFET (Bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại–oxit–bán dẫn) là công tắc điện tử cơ bản. Nó được xây dựng trên một tấm silicon và có bốn phần chính: nguồn, cống, cổng và kênh giữa nguồn và cống. Cổng nằm trên một lớp cách điện rất mỏng được gọi là oxit cổng, ngăn cách nó khỏi kênh.
Khi một điện áp được đặt vào cổng, nó sẽ thay đổi điện tích trong kênh. Điều này cho phép dòng điện chạy giữa nguồn và cống hoặc ngăn chặn nó. Trong bóng bán dẫn NMOS, dòng điện được mang bởi các electron. Trong bóng bán dẫn PMOS, dòng điện được mang theo các lỗ. Bằng cách hình thành các bóng bán dẫn NMOS và PMOS ở các vùng khác nhau được gọi là giếng, công nghệ CMOS có thể đặt cả hai loại bóng bán dẫn trên cùng một chip.
Hoạt động logic CMOS trong mạch kỹ thuật số
• Logic CMOS sử dụng các cặp bóng bán dẫn NMOS và PMOS để xây dựng các cổng logic cơ bản.
• Cổng CMOS đơn giản nhất là biến tần, lật tín hiệu: khi đầu vào là 0, đầu ra là 1; Khi đầu vào là 1, đầu ra là 0.
• Trong biến tần CMOS, bóng bán dẫn PMOS kết nối đầu ra với nguồn cung cấp dương khi đầu vào thấp.
• Bóng bán dẫn NMOS kết nối đầu ra với đất khi đầu vào cao.
• Trong hoạt động bình thường, chỉ có một đường dẫn (đến nguồn cung cấp hoặc nối đất) được bật tại một thời điểm, vì vậy việc sử dụng điện tĩnh vẫn rất thấp.
• Các cổng CMOS phức tạp hơn, chẳng hạn như NAND và NOR, được tạo ra bằng cách kết nối nhiều bóng bán dẫn NMOS và PMOS nối tiếp và song song.
CMOS vs NMOS vs TTL: So sánh gia đình logic
| Tính năng | CMOS | NMOS | TTL (Lưỡng cực) |
|---|---|---|---|
| Công suất tĩnh (không tải) | Rất thấp | Trung bình | Cao |
| Sức mạnh động | Thấp cho cùng một chức năng | Cao hơn | Cao ở tốc độ cao |
| Cung cấp voltage phạm vi | Hoạt động tốt ở điện áp thấp | Hạn chế hơn | Thường được cố định xung quanh 5 V |
| Mật độ tích hợp | Rất cao | Thấp hơn | Thấp so với CMOS |
| Sử dụng điển hình hiện nay | Sự lựa chọn chính trong chip hiện đại | Chủ yếu là các mạch cũ hơn hoặc đặc biệt | Chủ yếu là các mạch cũ hơn hoặc đặc biệt |
Quy trình chế tạo chip CMOS
• Bắt đầu với một tấm silicon sạch, chất lượng cao làm cơ sở cho chip CMOS.
• Hình thành các vùng n-well và p-well nơi các bóng bán dẫn NMOS và PMOS sẽ được tạo ra.
• Phát triển hoặc lắng đọng một lớp oxit cổng mỏng trên bề mặt của tấm wafer.
• Lắng đọng và tạo mẫu vật liệu cổng để tạo ra các cổng bóng bán dẫn.
• Cấy các vùng nguồn và cống với các chất pha tạp chính xác cho bóng bán dẫn NMOS và PMOS.
• Xây dựng các cấu trúc cách ly để các bóng bán dẫn gần đó không ảnh hưởng đến nhau.
• Lắng đọng các lớp cách điện và lớp kim loại để kết nối bóng bán dẫn vào các mạch làm việc.
• Thêm nhiều lớp kim loại và các liên kết dọc nhỏ được gọi là vias để định tuyến tín hiệu qua chip.
• Kết thúc với các lớp thụ động bảo vệ, sau đó cắt tấm wafer thành các chip riêng biệt, đóng gói và kiểm tra chúng.
Mở rộng quy mô công nghệ trong CMOS
Theo thời gian, công nghệ CMOS đã chuyển từ các tính năng có kích thước micromet xuống các tính năng có kích thước nanomet. Khi bóng bán dẫn nhỏ hơn, nhiều bóng bán dẫn hơn có thể phù hợp với cùng một khu vực chip. Các bóng bán dẫn nhỏ hơn cũng có thể chuyển đổi nhanh hơn và thường có thể chạy ở điện áp cung cấp thấp hơn, giúp cải thiện hiệu suất đồng thời giảm năng lượng cho mỗi hoạt động. Nhưng việc thu hẹp các thiết bị CMOS cũng mang lại những thách thức:
• Các bóng bán dẫn rất nhỏ có thể rò rỉ nhiều dòng điện hơn, làm tăng công suất chờ.
• Hiệu ứng kênh ngắn làm cho bóng bán dẫn khó kiểm soát hơn.
• Các biến thể quy trình khiến các thông số bóng bán dẫn thay đổi nhiều hơn từ thiết bị này sang thiết bị khác.
Để giải quyết những vấn đề này, các cấu trúc bóng bán dẫn mới hơn như FinFET và các thiết bị cổng xung quanh được sử dụng, cùng với các bước quy trình tiên tiến hơn và các quy tắc thiết kế nghiêm ngặt hơn trong công nghệ CMOS hiện đại.
Các loại tiêu thụ điện năng trong mạch CMOS
| Loại nguồn | Khi nó xảy ra | Nguyên nhân chính | Hiệu ứng đơn giản |
|---|---|---|---|
| Sức mạnh động | Khi tín hiệu chuyển đổi giữa 0 và 1 | Sạc và xả tụ điện nhỏ | Tăng khi chuyển đổi và đồng hồ tăng lên |
| Nguồn điện ngắn mạch | Trong một thời gian ngắn, trong khi một cổng đang chuyển đổi | NMOS và PMOS được bật một phần cùng nhau | Năng lượng bổ sung được sử dụng trong quá trình thay đổi |
| Nguồn rò rỉ | Ngay cả khi tín hiệu không chuyển đổi | Dòng điện nhỏ chạy qua bóng bán dẫn | Trở nên cơ bản ở kích thước rất nhỏ |
Cơ chế thất bại trong công nghệ CMOS
Các thiết bị CMOS có thể bị hỏng do chốt, hư hỏng ESD, lão hóa lâu dài và hao mòn kết nối kim loại. Chốt xảy ra khi các đường dẫn PNPN ký sinh bên trong chip bật và tạo ra kết nối điện trở thấp giữa VCC và mặt đất; Các điểm tiếp xúc giếng mạnh, vòng bảo vệ và khoảng cách bố trí thích hợp giúp ngăn chặn nó. ESD (phóng tĩnh điện) có thể xuyên qua các oxit cổng mỏng và các mối nối khi điện áp nhanh va vào các chân, vì vậy miếng đệm I / O thường bao gồm kẹp chuyên dụng và mạng bảo vệ dựa trên diode. Theo thời gian, BTI và các thông số bóng bán dẫn dịch chuyển sóng mang nóng và mật độ dòng điện quá mức có thể kích hoạt quá trình di chuyển điện làm suy yếu hoặc đứt các đường kim loại.
Khối xây dựng kỹ thuật số trong công nghệ CMOS
• Các cổng logic cơ bản như biến tần, NAND, NOR, XOR được xây dựng từ bóng bán dẫn CMOS.
• Các yếu tố tuần tự như chốt và dép xỏ ngón giữ và cập nhật các bit dữ liệu kỹ thuật số.
• Các khối đường dẫn dữ liệu, bao gồm bộ cộng, bộ ghép kênh, bộ chuyển số và bộ đếm, được hình thành bằng cách kết hợp nhiều cổng CMOS.
• Các khối bộ nhớ như ô SRAM được nhóm thành các mảng để lưu trữ nhỏ trên chip.
• Các ô tiêu chuẩn là các khối logic CMOS được thiết kế sẵn mà các công cụ kỹ thuật số sử dụng lại trên một chip.
• Các hệ thống kỹ thuật số lớn, bao gồm CPU, bộ điều khiển và bộ tăng tốc tùy chỉnh, được tạo ra bằng cách liên kết nhiều ô tiêu chuẩn và khối bộ nhớ với nhau trong công nghệ CMOS.
Mạch tương tự và RF trong công nghệ CMOS
Công nghệ CMOS không giới hạn ở logic kỹ thuật số. Nó cũng có thể được sử dụng để xây dựng các mạch tương tự hoạt động với các tín hiệu liên tục:
• Các khối như bộ khuếch đại, bộ so sánh và tham chiếu điện áp được làm từ bóng bán dẫn CMOS và các thành phần thụ động.
• Các mạch này giúp cảm nhận, định hình và kiểm soát tín hiệu trước hoặc sau khi xử lý kỹ thuật số.
CMOS cũng có thể hỗ trợ các mạch RF (tần số vô tuyến):
• Bộ khuếch đại, bộ trộn và bộ dao động có độ ồn thấp có thể được triển khai trong cùng một quy trình CMOS được sử dụng cho logic kỹ thuật số.
• Khi các khối tương tự, RF và kỹ thuật số được kết hợp trên một chip, công nghệ CMOS cho phép các giải pháp hệ thống trên chip tín hiệu hỗn hợp hoặc RF xử lý cả xử lý tín hiệu và giao tiếp trên một khuôn duy nhất.
Ứng dụng của công nghệ CMOS
| Khu vực ứng dụng | Vai trò chính của CMOS | Thiết bị ví dụ |
|---|---|---|
| Bộ xử lý | Logic và điều khiển kỹ thuật số | Bộ xử lý ứng dụng, bộ vi điều khiển |
| Bộ nhớ | Lưu trữ dữ liệu bằng SRAM, flash và các tính năng khác | Bộ nhớ đệm, flash nhúng |
| Cảm biến hình ảnh | Mảng pixel hoạt động và mạch đọc | Máy ảnh điện thoại thông minh, webcam |
| Giao diện tương tự | Bộ khuếch đại, ADC và DAC | Giao diện cảm biến, codec âm thanh |
| RF và không dây | Giao diện người dùng RF và bộ dao động cục bộ | Wi-Fi, Bluetooth, bộ thu phát di động |
Kết luận
CMOS hỗ trợ mật độ bóng bán dẫn cao, công suất tĩnh thấp và chuyển mạch nhanh trong các mạch tích hợp hiện đại. Nó xây dựng các cổng logic, khối bộ nhớ và hệ thống kỹ thuật số lớn, đồng thời hỗ trợ các mạch tương tự và RF trên cùng một chip. Khi mở rộng quy mô tiếp tục, rò rỉ, hiệu ứng kênh ngắn và biến thể thiết bị tăng lên, vì vậy các cấu trúc mới hơn như FinFET và cổng toàn diện được sử dụng.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Sự khác biệt giữa CMOS n-well, p-well và twin-well là gì?
n-well xây dựng PMOS trong n-well, p-well xây dựng NMOS trong p-well và twin-well sử dụng cả hai để kiểm soát tốt hơn hành vi của bóng bán dẫn.
Tại sao chip CMOS sử dụng nhiều lớp kim loại?
Để kết nối nhiều tín hiệu hơn, giảm tắc nghẽn định tuyến và cải thiện hiệu quả đi dây trên chip.
Hiệu ứng cơ thể trong bóng bán dẫn CMOS là gì?
Đó là sự thay đổi điện áp ngưỡng gây ra bởi sự chênh lệch điện áp giữa nguồn và thân bóng bán dẫn.
Tụ điện tách rời trong chip CMOS là gì?
Chúng ổn định nguồn điện bằng cách giảm sụt áp và nhiễu trong quá trình chuyển mạch.
Tại sao CMOS cần vòng che chắn và bảo vệ?
Để giảm khớp nối tiếng ồn và ngăn chặn nhiễu giữa các khu vực mạch nhạy cảm và ồn ào.
SRAM khác với DRAM và flash trong CMOS như thế nào?
SRAM nhanh nhưng kích thước lớn hơn, DRAM dày đặc hơn nhưng cần làm mới và flash giữ dữ liệu ngay cả khi không có điện.