CMOS - CMOS

CMOS invertör ( mantık kapısı DEĞİL )

Tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken ( CMOS, tamamlayıcı simetri metal-oksit-yarı iletken ( COS-MOS ) olarak da bilinen CMOS, bir tür metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistördür (MOSFET) Mantık fonksiyonları için tamamlayıcı ve simetrik p-tipi ve n-tipi MOSFET çiftlerini kullanan üretim süreci . CMOS teknolojisi, mikroişlemciler , mikro denetleyiciler , bellek yongaları ( CMOS BIOS dahil ) ve diğer dijital mantık devreleri dahil tümleşik devre (IC) yongaları oluşturmak için kullanılır . CMOS teknolojisi ayrıca görüntü sensörleri ( CMOS sensörleri ), veri dönüştürücüler , RF devreleri ( RF CMOS ) ve birçok iletişim türü için yüksek düzeyde entegre alıcı-vericiler gibi analog devreler için de kullanılır .

Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng , MOSFET'i 1959'da Bell Laboratuarlarında icat etti ve ardından 1960'da PMOS (p-tipi MOS) ve NMOS (n-tipi MOS) üretim süreçlerini gösterdi. 1963 yılında Fairchild Semiconductor'da Chih-Tang Sah ve Frank Wanlass tarafından MOS (CMOS) süreci . RCA , 1960'ların sonlarında teknolojiyi "COS-MOS" ticari markasıyla ticarileştirdi ve diğer üreticileri başka bir isim bulmaya zorlayarak "CMOS" haline geldi. 1970'lerin başında teknolojinin standart adı. CMOS , 1980'lerde çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) yongaları için baskın MOSFET üretim süreci olarak NMOS'u geride bırakırken, aynı zamanda önceki transistör-transistör mantığı (TTL) teknolojisinin yerini aldı. CMOS o zamandan beri VLSI çiplerinde MOSFET yarı iletken cihazları için standart üretim süreci olarak kaldı . 2011 itibariyle, çoğu dijital , analog ve karışık sinyalli IC dahil olmak üzere IC yongalarının %99'u CMOS teknolojisi kullanılarak üretilmiştir.

CMOS cihazlarının iki önemli özelliği yüksek gürültü bağışıklığı ve düşük statik güç tüketimidir . MOSFET çiftinin bir transistörü her zaman kapalı olduğundan, seri kombinasyonu, açık ve kapalı durumları arasında geçiş sırasında yalnızca anlık olarak önemli miktarda güç çeker. Sonuç olarak, CMOS cihazları , NMOS mantığı veya transistör-transistör mantığı (TTL) gibi normalde durum değişmediğinde bile bir miktar sabit akıma sahip olan diğer mantık biçimleri kadar atık ısı üretmez . Bu özellikler, CMOS'un yüksek yoğunluklu mantık işlevlerini bir çip üzerinde entegre etmesine olanak tanır. Öncelikle bu nedenle CMOS, VLSI yongalarında uygulanacak en yaygın kullanılan teknoloji haline geldi.

"Metal-oksit-yarı iletken" ifadesi , bir oksit yalıtkanının üzerine yerleştirilmiş bir metal kapı elektrotuna sahip olan MOS alan etkili transistörlerin fiziksel yapısına bir referanstır , bu da bir yarı iletken malzemenin üzerindedir . Alüminyum bir zamanlar kullanıldı ama şimdi malzeme polisilikon . Diğer metal kapılar, IBM ve Intel tarafından 45 nanometre düğüm ve daha küçük boyutlar için açıklandığı gibi, CMOS sürecinde yüksek-κ dielektrik malzemelerin ortaya çıkmasıyla geri dönüş yaptı .

Teknik detaylar

"CMOS", hem belirli bir dijital devre tasarımı stilini hem de bu devreyi entegre devreler (çipler) üzerinde uygulamak için kullanılan işlemler ailesini ifade eder. CMOS devresi , dirençli yüklere sahip mantık ailelerinden daha az güç harcar. Bu avantajın artması ve daha önemli hale gelmesi nedeniyle, CMOS süreçleri ve varyantları baskın hale geldi, bu nedenle modern entegre devre üretiminin büyük çoğunluğu CMOS süreçlerinde. CMOS mantığı , NMOS mantığından 7 kat daha az güç ve bipolar transistör-transistör mantığından (TTL) yaklaşık 100.000 kat daha az güç tüketir .  

CMOS devreleri, mantık kapılarını ve diğer dijital devreleri uygulamak için p-tipi ve n-tipi metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET'ler) kombinasyonunu kullanır . CMOS mantık gösteriler için ayrı cihazlar ile uygulanabilir, ancak ticari CMOS ürünler dikdörtgen bir parça, her iki tip transistor milyarlarca kadar oluşan entegre devreler olan silikon aa 10 ila 400 arasında 2 .

CMOS her zaman tüm geliştirme modu MOSFET'lerini kullanır (başka bir deyişle, sıfır geçitten kaynağa voltaj, transistörü kapatır).

Tarih

Tamamlayıcı simetri ilkesi ilk olarak 1953'te George Sziklai tarafından tanıtıldı ve daha sonra birkaç tamamlayıcı bipolar devreyi tartıştı. Paul Weimer ayrıca, RCA 1962 yılında icat, TFT tamamlayıcı devreler, CMOS yakın akrabası. Tamamlayıcı flip-flop ve invertör devrelerini icat etti , ancak daha karmaşık bir tamamlayıcı mantıkta çalışmadı. P-kanal ve n-kanal TFT'leri aynı alt tabaka üzerinde bir devreye koyabilen ilk kişiydi. Üç yıl önce, John T. Wallmark ve Sanford M. Marcus , tamamlayıcı bellek devreleri de dahil olmak üzere JFET'ler kullanılarak tümleşik devreler olarak uygulanan çeşitli karmaşık mantık işlevlerini yayınladı . Frank Wanlass, Weimer tarafından RCA'da yapılan çalışmalara aşinaydı.

MOSFET (metal oksit yarı iletken alan etkili transistor veya MOS transistörü) tarafından icat edilmiştir Mohamed M. atalla ve Dawon Kahng de Bell Laboratuarlarında 1959 MOSFET iki tip başlangıçta var olan üretim süreçleri , PMOS ( p-tipi MOS) ve NMOS ( n-tipi MOS). Başlangıçta hem PMOS ve NMOS aparatların üretimi, MOSFET icat Her iki tür atalla ve Kahng tarafından geliştirildi 20 um ve daha sonra 10 mikron MOSFET başlangıçta gözden kaçan ve lehine Bell Labs tarafından göz ardı edilirken 1960 yılında geçit uzunlukları iki kutuplu transistör , MOSFET buluşu Fairchild Semiconductor'da büyük ilgi gördü . Atalla'nın çalışmasına dayanan Chih-Tang Sah , 1960 sonlarında MOS kontrollü tetrode ürettiği MOS teknolojisini Fairchild'a tanıttı .

Fairchild'de Chih-Tang Sah ve Frank Wanlass tarafından tamamlayıcı MOS (CMOS) olarak adlandırılan hem PMOS hem de NMOS işlemlerini birleştiren yeni bir MOSFET mantığı türü geliştirildi . Şubat 1963'te buluşu bir araştırma makalesinde yayınladılar . Wanlass daha sonra Haziran 1963'te CMOS devresi için ABD patenti 3,356,858'i dosyaladı ve 1967'de verildi. Hem araştırma makalesinde hem de patentte , CMOS cihazlarının imalatı , bir silikon substratın termal oksidasyonu temelinde ana hatlarıyla anlatıldı . tahliye kontağı ve kaynak kontağı arasında bulunan silikon dioksit tabakası .

CMOS, 1960'ların sonlarında RCA tarafından ticarileştirildi . RCA , 1965'te bir Hava Kuvvetleri bilgisayarı için CMOS devreleri ve ardından 1968'de 288 bitlik bir CMOS SRAM bellek yongası geliştiren tümleşik devrelerin (IC'ler) tasarımı için CMOS'u benimsedi . RCA, 1968'de 4000 serisi tümleşik devreleri için CMOS'u da kullandı , 20 μm'lik bir yarı iletken üretim süreciyle başlayarak , önümüzdeki birkaç yıl içinde kademeli olarak 10 μm'lik bir sürece ölçeklendirme .  

CMOS teknolojisi başlangıçta Amerikan yarı iletken endüstrisi tarafından o zamanlar daha güçlü olan NMOS lehine göz ardı edildi . Bununla birlikte, CMOS, düşük güç tüketimi nedeniyle Japon yarı iletken üreticileri tarafından hızla benimsendi ve daha da geliştirildi, bu da Japon yarı iletken endüstrisinin yükselişine yol açtı. Toshiba , 1969'da sıradan CMOS'tan daha düşük güç tüketimi ve daha hızlı çalışma hızına sahip bir devre teknolojisi olan C²MOS'u (Saatli CMOS) geliştirdi . Toshiba , Sharp'ın Elsi Mini LED cebi için büyük ölçekli bir entegrasyon (LSI) çipi geliştirmek için C²MOS teknolojisini kullandı. hesap makinesi , 1971'de geliştirildi ve 1972'de piyasaya sürüldü. Suwa Seikosha (şimdi Seiko Epson ) , 1969'da bir Seiko quartz saat için bir CMOS IC çipi geliştirmeye başladı ve 1971'de Seiko Analog Quartz 38SQW saatin piyasaya sürülmesiyle seri üretime başladı . İlk seri üretilen CMOS tüketici elektroniği ürünü, 1970 yılında piyasaya sürülen Hamilton Pulsar "Bilek Bilgisayarı" dijital saatiydi. Düşük güç tüketimi nedeniyle, CMOS mantığı 1970'lerden beri hesap makineleri ve saatler için yaygın olarak kullanılmaktadır .

En erken mikroişlemciler 1970'lerin başlarında ilk olarak erken egemen PMOS işlemciler vardı mikroişlemci endüstrisini. 1970'lerin sonunda, NMOS mikroişlemcileri PMOS işlemcilerini geride bırakmıştı. CMOS mikroişlemciler 1975 yılında Intersil 6100 ve RCA CDP 1801 ile tanıtıldı . Ancak CMOS işlemciler 1980'lere kadar baskın hale gelmedi.

CMOS başlangıçta NMOS mantığından daha yavaştı , bu nedenle NMOS 1970'lerde bilgisayarlar için daha yaygın olarak kullanıldı. Intel 5101 (1 kb SRAM ) CMOS bellek yongası (1974) bir vardı erişim süresini 800 ns anda en hızlı NMOS yongası ise Intel 2147 (4 kb SRAM) HMOs bellek yongası (1976), bir erişim zaman vardı 55/70 ns. 1978'de Toshiaki Masuhara liderliğindeki bir Hitachi araştırma ekibi , 3 μm'lik bir işlemle üretilen HM6147 (4 kb SRAM) bellek yongasıyla ikiz kuyulu Hi-CMOS sürecini tanıttı . Hitachi HM6147 yongası, Intel 2147 HMOS yongasının performansıyla (55/70 ns erişim) eşleşirken, HM6147 ayrıca 2147'den (110 mA) önemli ölçüde daha az güç (15 mA ) tüketti . Karşılaştırılabilir performans ve çok daha az güç tüketimi ile, ikiz kuyulu CMOS süreci, sonunda 1980'lerde bilgisayarlar için en yaygın yarı iletken üretim süreci olarak NMOS'u geride bıraktı .          

1980'lerde CMOS mikroişlemcileri, NMOS mikroişlemcilerini geride bıraktı. NASA 'nın Galileo uzay aracı, yörünge gönderilen Jüpiter , 1989 yılında kullanılan RCA 1802 nedeniyle düşük güç tüketimi CMOS mikro işlemci.

Intel , 1983 yılında CMOS yarı iletken cihaz üretimi için 1,5 μm'lik bir süreç başlattı . 1980'lerin ortalarında , IBM'den Bijan Davari , yüksek performanslı, düşük voltajlı, derin mikron altı CMOS teknolojisi geliştirdi; taşınabilir bilgisayarlar ve pille çalışan el elektroniği . 1988'de Davari, yüksek performanslı 250 nanometre CMOS sürecini sergileyen bir IBM ekibine liderlik etti .

Fujitsu 700 ticari nm 1987 CMOS işlemi ve daha sonra Hitachi, Mitsubishi Electric , NEC Toshiba ticari 500 nm 1993 1989'da CMOS, Sony bir ticari 350 nm Hitachi ve NEC ticari ise, bir CMOS işlemi 250 nm CMOS. Hitachi 1995'te 160 nm CMOS sürecini tanıttı, ardından Mitsubishi 1996'da 150 nm CMOS'u tanıttı ve ardından Samsung Electronics 1999'da 140 nm'yi tanıttı .        

2000 yılında, Micron Technology'den Gurtej Singh Sandhu ve Trung T. Doan, atomik katman biriktirme Yüksek-κ dielektrik filmleri icat etti ve bu da uygun maliyetli 90 nm CMOS işleminin geliştirilmesine yol açtı . Toshiba ve Sony , 2002'de 65 nm CMOS işlemi geliştirdi ve ardından TSMC , 2004'te 45 nm CMOS mantığının geliştirilmesini başlattı . Micron Technology'de Gurtej Singh Sandhu tarafından adım çift ​​modellemenin geliştirilmesi, dünyada 30 nm sınıfı CMOS'un geliştirilmesine yol açtı . 2000'ler.  

CMOS, çoğu modern LSI ve VLSI cihazında kullanılır. 2010 itibariyle, her yıl watt başına en iyi performansa sahip CPU'lar 1976'dan beri CMOS statik mantığı olmuştur. 2019 itibariyle, düzlemsel CMOS teknolojisi hala yarı iletken cihaz üretiminin en yaygın şeklidir, ancak kademeli olarak düzlemsel olmayan FinFET teknolojisi ile değiştirilmektedir. 20 nm'den küçük yarı iletken düğümler üretebilen .  

ters çevirme

CMOS devreleri, tüm P-tipi metal-oksit-yarı iletken (PMOS) transistörlerinin ya voltaj kaynağından ya da başka bir PMOS transistöründen bir girişe sahip olması gerektiği şekilde yapılmıştır. Benzer şekilde, tüm NMOS transistörleri ya topraktan ya da başka bir NMOS transistöründen bir girişe sahip olmalıdır. Bir PMOS transistörünün bileşimi, düşük geçit voltajı uygulandığında kaynak ve drenaj kontakları arasında düşük direnç ve yüksek geçit voltajı uygulandığında yüksek direnç oluşturur. Öte yandan, bir NMOS transistörünün bileşimi, düşük bir geçit voltajı uygulandığında kaynak ve drenaj arasında yüksek direnç ve yüksek bir geçit voltajı uygulandığında düşük direnç oluşturur. CMOS, her nMOSFET'i bir pMOSFET ile tamamlayarak ve her iki geçidi ve her iki tahliyeyi birbirine bağlayarak akım azaltmayı gerçekleştirir. Kapılardaki yüksek voltaj, nMOSFET'in iletmesine ve pMOSFET'in iletmemesine neden olurken, kapılardaki düşük voltaj, bunun tersine neden olur. Bu düzenleme, güç tüketimini ve ısı üretimini büyük ölçüde azaltır. Bununla birlikte, anahtarlama süresi boyunca, kapı voltajı bir durumdan diğerine geçerken her iki MOSFET de kısa bir süre iletir. Bu, güç tüketiminde kısa süreli bir artışa neden olur ve yüksek frekanslarda ciddi bir sorun haline gelir.

Statik CMOS invertör. V dd ve V ss sırasıyla drenaj ve kaynak için duruyor .

Bitişik resim, bir giriş hem bir PMOS transistörüne (şemanın üstü) hem de bir NMOS transistörüne (diyagramın alt kısmı) bağlandığında ne olduğunu gösterir. A girişinin voltajı düşük olduğunda, NMOS transistörünün kanalı yüksek direnç durumundadır. Bu, Q'dan toprağa akabilecek akımı sınırlar. PMOS transistörünün kanalı düşük direnç durumundadır ve beslemeden çıkışa çok daha fazla akım akabilir. Besleme gerilimi ile Q arasındaki direnç düşük olduğu için, Q'dan çekilen bir akım nedeniyle besleme gerilimi ile Q arasındaki gerilim düşüşü küçüktür. Bu nedenle çıkış, yüksek bir voltaj kaydeder.

Öte yandan, A girişinin voltajı yüksek olduğunda, PMOS transistörü KAPALI (yüksek direnç) durumundadır, bu nedenle pozitif beslemeden çıkışa akan akımı sınırlarken, NMOS transistörü AÇIK ( düşük direnç) durumu, çıkışın drenajdan toprağa verilmesine izin verir. Q ile toprak arasındaki direnç düşük olduğundan, Q'yu zeminin üzerine yerleştiren Q'ya çekilen bir akım nedeniyle voltaj düşüşü küçüktür. Bu düşük düşüş, çıkışın düşük bir voltaj kaydetmesine neden olur.

Kısacası, PMOS ve NMOS transistörlerinin çıkışları, giriş düşük olduğunda çıkış yüksek ve giriş yüksek olduğunda çıkış düşük olacak şekilde tamamlayıcıdır. Giriş ve çıkışın bu davranışı nedeniyle, CMOS devresinin çıkışı girişin tersidir.

Güç kaynağı pimleri

CMOS için güç kaynağı pinleri , üreticiye bağlı olarak V DD ve V SS veya V CC ve Ground(GND) olarak adlandırılır. V DD ve V SS , geleneksel MOS devrelerinden aktarılanlardır ve drenaj ve kaynak sarf malzemeleri anlamına gelir. Her iki sarf malzemesi de gerçekten kaynak sarf malzemeleri olduğundan, bunlar doğrudan CMOS için geçerli değildir. V CC ve Ground, TTL mantığından aktarılmıştır ve bu isimlendirme, CMOS'un 54C/74C serisinin tanıtımıyla korunmuştur.

ikilik

Bir CMOS devresinin önemli bir özelliği, PMOS transistörleri ile NMOS transistörleri arasında var olan dualitedir. Çıkıştan güç kaynağına veya toprağa giden bir yolun her zaman var olmasına izin vermek için bir CMOS devresi oluşturulur. Bunu başarmak için, voltaj kaynağına giden tüm yolların kümesi, toprağa giden tüm yolların kümesinin tamamlayıcısı olmalıdır . Bu, birini diğerinin DEĞİL'i cinsinden tanımlayarak kolayca gerçekleştirilebilir. Nedeniyle De Morgan Yasası serisinde PMOS transistörleri paralel olarak NMOS transistörleri tekabül ederken, temelli mantık, paralel PMOS transistörleri seri olarak NMOS transistörleri gelen var.

Mantık

CMOS mantığında NAND kapısı

AND ve OR geçitlerini içerenler gibi daha karmaşık mantık işlevleri , mantığı temsil etmek için kapılar arasındaki yolların manipüle edilmesini gerektirir. Bir yol seri bağlı iki transistörden oluştuğunda, her iki transistör de bir AND modelleyerek ilgili besleme voltajına karşı düşük dirence sahip olmalıdır. Bir yol paralel olarak iki transistörden oluştuğunda, transistörlerden biri veya her ikisi, besleme voltajını çıkışa bağlamak için bir OR modelleyerek düşük dirence sahip olmalıdır.

Sağda gösterilen, CMOS mantığındaki bir NAND geçidinin devre şemasıdır . A ve B girişlerinin her ikisi de yüksekse, o zaman hem NMOS transistörleri (diyagramın alt yarısı) iletecek, PMOS transistörlerinin hiçbiri (üst yarısı) iletmeyecek ve çıkış ile V arasında iletken bir yol oluşturulacaktır. ss (toprak), çıktıyı düşürür. A ve B girişlerinin her ikisi de düşükse, o zaman NMOS transistörlerinin hiçbiri iletken olmazken, her iki PMOS transistör de iletimde bulunarak çıkış ile V dd (voltaj kaynağı) arasında iletken bir yol oluşturarak çıkışı yükseğe getirir. A veya B girişlerinden biri düşükse, NMOS transistörlerinden biri iletmeyecek, PMOS transistörlerinden biri yapacak ve çıkış ile V dd (voltaj kaynağı) arasında çıkışı yükseğe getiren bir iletken yol oluşturulacaktır . Düşük çıkışla sonuçlanan iki girişin tek konfigürasyonu, her ikisinin de yüksek olduğu zaman olduğundan, bu devre bir NAND (NOT AND) mantık geçidi uygular .

CMOS'un NMOS mantığına göre bir avantajı, NMOS mantığındaki yük dirençlerinin aksine (PMOS) pull-up transistörleri açıldığında düşük dirence sahip olduğundan, hem düşükten yükseğe hem de yüksekten düşüğe çıkış geçişlerinin hızlı olmasıdır. Ek olarak, çıkış sinyali , düşük ve yüksek raylar arasında tam voltajı sallar . Bu güçlü, daha simetrik tepki aynı zamanda CMOS'u gürültüye karşı daha dirençli hale getirir.

Bir CMOS devresindeki gecikmeyi hesaplama yöntemi için Mantıksal çaba bölümüne bakın .

Örnek: Fiziksel düzende NAND kapısı

Fiziksel düzeni NAND devresinin. N-tipi difüzyon ve P-tipi difüzyonun daha geniş bölgeleri, transistörlerin bir parçasıdır. Soldaki daha küçük iki bölge, mandallamayı önlemek için musluklardır .
Yarı iletken mikrofabrikasyonda p-tipi substrat üzerinde bir CMOS invertörün basitleştirilmiş üretim süreci. 1. adımda, silikon dioksit katmanları başlangıçta termal oksidasyon yoluyla oluşturulur Not: Kapı, kaynak ve tahliye kontakları normal olarak gerçek cihazlarda aynı düzlemde değildir ve diyagram ölçekli değildir.

Bu örnek, üretileceği gibi fiziksel bir temsil olarak çizilen bir NAND mantık cihazını göstermektedir . Fiziksel yerleşim perspektifi, bir katman yığınının "kuşbakışı görünümüdür". Devre, P tipi bir alt tabaka üzerine inşa edilmiştir . Polisilikon , difüzyon ve n-de "baz tabakalar" olarak adlandırılır ve aslında, P-tipi alt-tabaka siperlerinin sokulur. (Aşağıdaki işlem şemasında 1'den 6'ya kadar olan adımlara bakın) Kontaklar, taban katmanları ile birinci metal katmanı (metal1) arasında bir yalıtım katmanına nüfuz ederek bir bağlantı oluşturur.

NAND'a (yeşil renkle gösterilmiştir) girişler polisilikondur. Transistörler (cihazlar), polisilikon ve difüzyonun kesişmesiyle oluşturulur; N cihazı için N difüzyonu ve P cihazı için P difüzyonu (sırasıyla somon ve sarı renkle gösterilmiştir). Çıkış ("dışarı") metal olarak birbirine bağlanmıştır (camgöbeği rengiyle gösterilmiştir). Metal ve polisilikon veya difüzyon arasındaki bağlantılar kontaklar aracılığıyla yapılır (siyah kareler olarak gösterilmiştir). Fiziksel düzen örneği önceki örnekte verilen NAND mantık devresini eşleşir.

N cihazı, P tipi bir substrat üzerinde üretilirken, P cihazı bir N tipi kuyuda (n-kuyu) üretilir . Bir P-tipi alt-tabaka "kademe" V bağlı SS ve bir N-tipi N-çukurlu dokunun V bağlı DD önlemek için latchup .

N-kuyulu CMOS işleminde bir CMOS kapısındaki iki transistörün kesiti

Güç: anahtarlama ve sızıntı

CMOS mantığı, NMOS mantık devrelerinden daha az güç harcar çünkü CMOS, gücü yalnızca geçiş yaparken ("dinamik güç") dağıtır. Modern bir 90 nanometre işlemindeki tipik bir ASIC'de , çıkışın değiştirilmesi 120 pikosaniye sürebilir ve her on nanosaniyede bir gerçekleşir. V bir akım yolu yoktur, çünkü NMOS mantık dağılır güç transistörü açık olduğunda, her dd V ss yük direnci ve n-tip ağ üzerinden.

Statik CMOS kapıları, boştayken neredeyse sıfır güç harcadıkları için güç açısından çok verimlidir. Daha önce, çipler tasarlanırken CMOS cihazlarının güç tüketimi önemli bir endişe kaynağı değildi. Hız ve alan gibi faktörler tasarım parametrelerine hakim oldu. CMOS teknolojisi mikron altı seviyelerin altına indikçe, çipin birim alanı başına güç tüketimi muazzam bir şekilde arttı.

Genel olarak sınıflandırmak gerekirse, CMOS devrelerinde güç kaybı, statik ve dinamik olmak üzere iki bileşen nedeniyle oluşur:

Statik dağılım

Hem NMOS hem de PMOS transistörleri , altında cihazdan geçen akımın ( alt eşik akımı olarak adlandırılır ) katlanarak düştüğü bir kapı-kaynak eşik voltajına sahiptir . Tarihsel olarak, CMOS tasarımları eşik voltajlarından çok daha büyük besleme voltajlarında çalıştırılır (V dd 5 V olabilir ve hem NMOS hem de PMOS için V th 700 mV olabilir). Bazı CMOS devrelerinde kullanılan özel bir transistör türü, sıfıra yakın eşik voltajına sahip doğal transistördür .

SiO 2 iyi bir yalıtkandır, ancak çok küçük kalınlık seviyelerinde elektronlar çok ince yalıtım boyunca tünel açabilir; olasılık oksit kalınlığı ile üstel olarak düşer. Tünelleme akımı, 20 Å veya daha ince kapı oksitleri olan 130 nm teknolojisinin altındaki transistörler için çok önemli hale gelir.

Küçük ters kaçak akımlar, difüzyon bölgeleri ve kuyular (örneğin, p-tipi difüzyona karşı n-kuyusu için), kuyular ve substrat (örneğin, n-kuyuya karşı p-substrat için) arasında ters öngerilim oluşması nedeniyle oluşur. Modern proseste diyot sızıntısı, alt eşik ve tünelleme akımlarına kıyasla çok küçüktür, bu nedenle güç hesaplamaları sırasında bunlar ihmal edilebilir.

Oranlar uyuşmuyorsa, PMOS ve NMOS'un farklı akımları olabilir; bu, dengesizliğe yol açabilir ve dolayısıyla yanlış akım, CMOS'un ısınmasına ve gereksiz yere gücü dağıtmasına neden olur. Ayrıca, son çalışmalar, cihazların daha yavaş hale gelmesi için bir takas olarak, yaşlanma etkileri nedeniyle kaçak gücün azaldığını göstermiştir.

Dinamik dağılım

Yük kapasitanslarının şarj edilmesi ve boşaltılması

CMOS devreleri, anahtarlandıklarında çeşitli yük kapasitanslarını (çoğunlukla kapı ve kablo kapasitansı, aynı zamanda drenaj ve bazı kaynak kapasitansları) şarj ederek gücü dağıtır. CMOS mantık bir tam döngüsü olarak, V gelen akım DD yük kapasitansı şarj etmek ve daha sonra şarj yükleme kapasitesine (Cı akar L deşarjı esnasında zemine). Bu nedenle, bir tam şarj/deşarj döngüsünde toplam Q=C L V DD V DD'den toprağa aktarılır . Kullanılan akımı elde etmek için yük kapasitanslarındaki anahtarlama frekansı ile çarpın ve bir CMOS cihazı tarafından dağıtılan karakteristik anahtarlama gücünü elde etmek için tekrar ortalama voltajla çarpın: .

Çoğu kapı her saat döngüsünde çalışmadığından/anahtarlamadığından, genellikle bunlara aktivite faktörü adı verilen bir faktör eşlik eder . Şimdi, dinamik güç kaybı olarak yeniden yazılabilir .

Bir sistemdeki saat, her döngüde yükselip alçaldığı için α=1 etkinlik faktörüne sahiptir. Çoğu verinin aktivite faktörü 0.1'dir. Aktivite faktörü ile birlikte bir düğümde doğru yük kapasitansı tahmin edilirse, o düğümdeki dinamik güç kaybı etkin bir şekilde hesaplanabilir.

Hem pMOS hem de nMOS için sonlu bir yükselme/düşme süresi olduğu için, örneğin kapalıdan açık duruma geçiş sırasında, her iki transistör de akımın doğrudan V DD'den bir yol bulacağı küçük bir süre boyunca açık olacaktır . toprak, dolayısıyla kısa devre akımı yaratır . Kısa devre güç kaybı, transistörlerin yükselme ve düşme süresi ile artar.

1990'larda çip üzerindeki teller daraldıkça ve uzun teller daha dirençli hale geldikçe, ek bir güç tüketimi biçimi önemli hale geldi. Bu dirençli kabloların sonundaki CMOS kapıları, yavaş giriş geçişlerini görür. Bu geçişlerin ortadan sırasında hem NMOS ve PMOS mantık devreleri kısmen iletken olan ve mevcut V şirketinden akar DD V SS . Bu şekilde kullanılan güce levye gücü denir . Zayıf tahrikli uzun ince kablolardan kaçınan dikkatli tasarım bu etkiyi iyileştirir, ancak levye gücü dinamik CMOS gücünün önemli bir parçası olabilir.

Tasarımlar hızlandırmak için, üreticiler daha düşük voltaj ayarlaması sahip yapılara geçiş yaptı ama V ile çünkü bu modern NMOS transistörü th 200 mV önemli sahiptir eşik altı kaçak akımı. Aktif olarak anahtarlamayan çok sayıda devre içeren tasarımlar (örneğin masaüstü işlemciler), bu kaçak akım nedeniyle hala güç tüketir. Kaçak güç, bu tür tasarımlar tarafından tüketilen toplam gücün önemli bir kısmıdır. Artık dökümhanelerden temin edilebilen çok eşikli CMOS (MTCMOS), kaçak gücü yönetmeye yönelik bir yaklaşımdır. MTCMOS ile, anahtarlama hızının kritik olmadığı durumlarda yüksek V th transistörleri kullanılırken, hıza duyarlı yollarda düşük V th transistörleri kullanılır. Daha da ince geçit yalıtkanlarını kullanan ileri teknoloji ilerlemeleri , son derece ince kapı yalıtkanından geçen akım tüneli nedeniyle ek bir sızıntı bileşenine sahiptir . Kullanarak yüksek κ yalıtkan yerine silikon dioksit , geleneksel kapı dielektrik benzer bir cihaz performansı sağlar, ama daha kalın bir kapı yalıtıcısı ile, bu şekilde, bu akımı önlemektedir. Yeni malzeme ve sistem tasarımları kullanarak kaçak güç azaltma, CMOS'un ölçeklendirilmesini sürdürmek için kritik öneme sahiptir.

Giriş koruması

CMOS yapısında bulunan parazitik transistörler, örneğin elektrostatik deşarjlar veya hat yansımaları gibi normal çalışma aralığının dışındaki giriş sinyalleriyle açılabilir . Ortaya çıkan mandallama , CMOS cihazına zarar verebilir veya yok edebilir. Bu sinyallerle başa çıkmak için CMOS devrelerine kelepçe diyotları dahildir. Üreticilerin veri sayfaları, diyotlardan geçebilecek izin verilen maksimum akımı belirtir.

Analog CMOS

Dijital uygulamaların yanı sıra analog uygulamalarda da CMOS teknolojisi kullanılmaktadır . Örneğin, piyasada CMOS işlemsel yükselteç IC'leri mevcuttur. İletim kapıları , sinyal röleleri yerine analog çoklayıcılar olarak kullanılabilir . CMOS teknolojisi, karışık sinyal (analog+dijital) uygulamalarında mikrodalga frekanslarına kadar RF devreleri için de yaygın olarak kullanılmaktadır .

RF CMOS'u

RF CMOS , karışık sinyalli CMOS entegre devre teknolojisine dayanan RF devrelerini ( radyo frekansı devreleri) ifade eder . Kablosuz telekomünikasyon teknolojisinde yaygın olarak kullanılırlar . RF CMOS, 1980'lerin sonlarında UCLA'da çalışırken Asad Abidi tarafından geliştirildi . Bu, RF devrelerinin tasarlanma şeklini değiştirdi ve radyo alıcı-vericilerinde ayrık bipolar transistörlerin CMOS entegre devreleriyle değiştirilmesine yol açtı . Sofistike, düşük maliyetli ve taşınabilir son kullanıcı terminallerini etkinleştirdi ve çok çeşitli kablosuz iletişim sistemleri için küçük, düşük maliyetli, düşük güçlü ve taşınabilir birimlerin ortaya çıkmasına neden oldu. Bu, "her zaman, her yerde" iletişimi mümkün kıldı ve kablosuz endüstrinin hızlı büyümesine yol açan kablosuz devrimin ortaya çıkmasına yardımcı oldu .

Ana bant işlemcisi tüm modern ve radyo alıcı kablosuz ağ cihazları ve cep telefonları kitlesel üretilen RF CMOS cihazlar kullanarak vardır. RF CMOS devreleri, uydu teknolojisi ( GPS gibi ), bluetooth , Wi-Fi , yakın alan iletişimi (NFC), mobil ağlar ( 3G ve 4G ), karasal yayın ve otomotiv radar uygulamaları, diğer kullanımların yanı sıra.

Ticari RF CMOS yongalarına örnek olarak Intel'in DECT kablosuz telefonu ve Atheros ve diğer şirketler tarafından oluşturulan 802.11 ( Wi-Fi ) yongaları verilebilir . Ticari RF CMOS ürünleri, Bluetooth ve Kablosuz LAN (WLAN) ağları için de kullanılır . RF CMOS, GSM , Wi-Fi ve Bluetooth gibi kablosuz standartlar için radyo alıcı -vericilerinde, 3G gibi mobil ağlar için alıcı-vericilerde ve kablosuz sensör ağlarındaki (WSN) uzak birimlerde de kullanılır .

RF CMOS teknolojisi, kablosuz ağlar ve mobil iletişim cihazları dahil olmak üzere modern kablosuz iletişim için çok önemlidir . RF CMOS teknolojisini ticarileştiren firmalardan biri de Infineon'du . Toplu CMOS RF anahtarları  , yılda 1 milyar birimin üzerinde satış  yaparak 2018 itibariyle kümülatif 5 milyar birime ulaştı .

Sıcaklık aralığı

Geleneksel CMOS cihazları -55 °C ila +125 °C aralığında çalışır.

Ağustos 2008'de silikon CMOS'un -233 °C'ye (40 K ) kadar çalışacağına dair teorik göstergeler vardı  . O zamandan beri , sıvı nitrojen ve sıvı helyum soğutma kombinasyonu ile hız aşırtmalı AMD Phenom II işlemciler kullanılarak 40 K'ye yakın çalışma sıcaklıklarına ulaşıldı .

Silisyum Karbür CMOS cihazları bir yıl boyunca 500°C'de test edilmiştir.

Tek elektronlu MOS transistörler

Ultra küçük (L = 20 nm, W = 20 nm) MOSFET'ler, -269 °C (4 K ) ila yaklaşık -258 °C (15 K ) aralığında kriyojenik sıcaklıkta çalıştırıldığında tek elektron sınırına  ulaşır  . Transistör , elektronların birer birer aşamalı olarak yüklenmesi nedeniyle Coulomb blokajı gösterir . Kanalda hapsedilen elektron sayısı, sıfır elektron işgalinden başlayarak kapı voltajı tarafından sürülür ve bir veya daha fazla olarak ayarlanabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar