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什么是CMOS?CMOS工作原理及其应用特点

IC先生 IC先生 22711 2022-05-13 15:26:50

CMOS译为“互补金属氧化物半导体”,是计算机芯片设计行业中最流行的技术之一,如今它被广泛用于在众多不同的应用中形成集成电路。由于CMOS几个关键性优势,现如今计算机内存、CPU和手机都利用了这项技术。

CMOS技术利用了P沟道和N沟道半导体器件,当今最流行的MOSFET技术之一是互补MOS或CMOS技术,也是微处理器、微控制器芯片、RAM、ROM、EEPROM和专用集成电路 (ASIC) 等存储器的主要半导体技术。

MOS技术介绍

在IC设计中,最基本也是最重要的元件是晶体管,而MOSFET是一种在许多应用中使用的晶体管。这种晶体管的形成可以像三明治一样通过包括一个半导体层来完成,通常是一个晶片,一个硅单晶的切片;一层二氧化硅和一层金属层。这些层允许在半导体材料内形成晶体管,像是SiO2这样的良好绝缘体具有一百个分子厚度的薄层。

与此同时,使用多晶硅(poly)代替金属作为栅极部分的晶体管。FET的多晶硅栅极几乎可以用大型IC中的金属栅极代替。有时,多晶硅和金属FET都被称为IGFET,这意味着绝缘栅FET,因为栅极下方的Sio2是绝缘体。

CMOS(互补金属氧化物半导体)

与NMOS和BIPOLAR技术相比,CMOS的主要优势是功耗要小得多。与NMOS或BIPOLAR电路不同,互补MOS电路几乎没有静态功耗,只有在电路实际切换的情况下才会消耗功率。这允许在IC上集成比NMOS或双极技术更多的CMOS门,从而获得更好的性能。CMOS晶体管由P沟道MOS (PMOS) 和N沟道MOS (NMOS) 组成。

CMOS(互补金属氧化物半导体)

NMOS

NMOS建立在P型衬底上,N型源极和漏极在其上扩散。在NMOS中,大多数载流子是电子。当向栅极施加高电压时,NMOS将导通。类似地,当对栅极施加低电压时,NMOS将不导通。NMOS被认为比PMOS 更快,因为NMOS中的载流子(即电子)的传播速度是空穴的两倍。

NMOS晶体管

PMOS

P沟道MOSFET由扩散在N型衬底上的P型源极和漏极组成,大多数载体是空穴。当对栅极施加高电压时,PMOS将不导通,当对栅极施加低电压时,PMOS将导通。PMOS器件比NMOS器件更能抵抗噪声。

PMOS

CMOS工作原理

在CMOS技术中,N型和P型晶体管都用于设计逻辑功能,开启一种晶体管的相同信号用于关闭另一种晶体管。此特性允许仅使用简单开关来设计逻辑器件,而无需上拉电阻。

在CMOS逻辑门中,一组N型MOSFET排列在输出和低压电源轨(Vss或经常接地)之间的下拉网络中。代替NMOS逻辑门的负载电阻,CMOS逻辑门在输出和较高电压轨(通常称为Vdd)之间的上拉网络中具有一组P型MOSFET。

CMOS使用上拉和下拉

因此,如果P型和N型晶体管的栅极都连接到相同的输入,则P型MOSFET将在N型MOSFET关闭时开启,反之亦然。所以,对于任何输入模式,网络的排列方式为一个为ON,另一个为OFF。

CMOS在两种状态下都提供相对高速、低功耗、高噪声容限,并且可以在宽范围的源电压和输入电压下工作(假设源电压是固定的)。此外,为了更好地理解互补金属氧化物半导体的工作原理,还需要了解CMOS逻辑门相关知识。

CMOS逆变器

CMOS逆变器电路如下图所示,它由PMOS和NMOS FET组成。输入A用作两个晶体管的栅极电压。

NMOS晶体管从Vss(地)输入,PMOS晶体管从Vdd 输入,输出端子Y。当在反相器的输入端 (A) 提供高电压 (~ Vdd) 时,PMOS变为开路,NMOS关闭,因此输出将被下拉至Vss。

CMOS逆变器

当向逆变器施加低电平电压(<Vdd,~0v)时,NMOS关闭,PMOS开启。因此输出变为Vdd或电路被上拉至Vdd。

输入 逻辑输入 输出 逻辑输出
0 V 0 Vdd 1
Vdd 1 0 V 0

CMOS与非

下图显示了一个2输入互补MOS与非门,它由Y和地之间的两个串联NMOS晶体管和Y、VDD之间的两个并联PMOS晶体管组成。

CMOS与非门

如果输入A或B为逻辑0,则至少有一个NMOS晶体管将关闭,从而中断从Y到接地的路径。但至少有一个PMOS晶体管将开启,从而创建一条从Y到VDD的路径。

因此,输出Y将很高。如果两个输入都为高,则两个NMOS晶体管都将打开,两个PMOS晶体管都将关闭。因此,输出将为逻辑低。

基于与2输入NAND门相同的原理,可以设计一个3输入CMOS与非门,其中在输出和GND之间串联3个NMOS晶体管,在VDD和输出之间并联3个PMOS晶体管。

3输入CMOS NAND

CMOS或非门

2输入CMOS或非门电路如下所示,它由两个串联在V DD和输出之间的P沟道MOSFET和两个并联在输出和GND之间的N沟道MOSFET组成。

CMOS或非门

当输入A或B中的任何一个为高时,输出为低,因为至少有一个NMOS晶体管导通。要使输出为高,则两个输入都必须为低。

与3输入与非门类似,也可以设计3输入或非门,如以下电路所示。

3输入或非门

CMOS制造工艺

CMOS晶体管的制造可以在硅晶片上完成,晶圆的直径范围从20毫米到300 毫米。在这方面,光刻工艺与印刷机相同。在每一步,都可以沉积不同的材料,进行蚀刻以其他方式进行图案化。通过在简化的组装方法中查看晶片的顶部和横截面,这个过程非常容易理解。CMOS的制造可以通过使用三种技术来完成,即:

  • P阱(P-Well制作
  • N阱(N-Well)制作
  • 双阱(Twin Tub)制作
  • SOI(绝缘体上硅)制作

CMOS主要特性

CMOS最重要的特点是静态功耗低、抗噪能力强。当这对MOSFET晶体管中的单个晶体管被关闭时,串联组合在整个开关过程中使用大量功率,如ON和OFF。

因此,与其他类型的逻辑电路(例如TTL或NMOS逻辑)相比,这些器件不会产生废热,这些逻辑电路通常会使用一些驻留电流,即使它们不改变其状态。这些CMOS特性将允许在集成电路上以高密度集成逻辑功能。正因为如此,CMOS已成为在VLSI芯片中最常用的技术。

另外,MOS是指MOSFET的物理结构,它包括一个带有金属栅极的电极,该金属栅极位于半导体材料的氧化物绝缘体的顶部。像铝这样的材料只使用一次,但现在这种材料是多晶硅。其他金属栅极的设计可以通过CMOS工艺过程中高κ介电材料的到来而卷土重来。

CCD与CMOS

电荷耦合器件 (CCD) 和互补金属氧化物半导体 (CMOS) 等图像传感器是两种不同的技术。这些用于以数字方式捕获图像。每个图像传感器都有其优点、缺点和应用。

CCD和CMOS之间的主要区别在于捕获帧的方式。CCD使用全局快门,而CMOS使用滚动快门,这两个图像传感器将电荷从光变为电并将其处理为电子信号。

CCD中使用的制造工艺是特殊的,以形成在不改变IC的情况下移动电荷的能力。因此,这种制造过程可以产生关于光敏度和保真度的极高质量传感器。相比之下,CMOS芯片使用固定的制造程序来设计芯片,类似的工艺也可以用于制造微处理器。由于制造上的差异,CCD和CMOS等传感器之间存在一些明显的差异。

所以,CCD传感器将以更少的噪声和高质量的图像捕获图像,而CMOS图像传感器通常更容易受到噪声的影响。

通常,CMOS使用较少的功率,而CCD使用大量功率。

CMOS芯片的制造可以在任何典型的Si生产线上完成,因为与CCD相比,它们往往非常便宜。CCD传感器更成熟,因为它们是长期大量生产的。

由于CMOS和CCD成像器都依靠光电效应从光中产生电信号。

基于上述差异,CCD被用于相机中,通过大量像素和出色的感光度来瞄准高质量图像,而CMOS传感器的分辨率、质量和灵敏度相对较低。

CMOS中的闩锁

闩锁可以定义为当电源和接地等两个端子之间发生短路时,会产生大电流并损坏IC。在CMOS中,闩锁是由于两个晶体管(如寄生PNP和NPN晶体管)之间的通信而在电源轨和接地轨之间出现低阻抗轨迹。

在CMOS电路中,两个晶体管(如PNPNPN)连接到两个电源轨(如VDD和GND),这些晶体管的保护可以通过电阻来完成。在闩锁传输中,电流将从VDD直接通过两个晶体管流向GND,从而可能发生短路,因此极端电流将从VDD流向接地端。

闩锁的预防方法

在闩锁预防中,可以在路径中放置高电阻以阻止电流在整个电源中流动并通过使用以下方法使β1*β2低于 1。

寄生SCR的结构将通过绝缘氧化层在PMOS和NMOS等晶体管周围形成喙状。一旦发现闩锁,闩锁保护技术将关闭器件。

闩锁的测试服务可以由市场上的许多供应商完成。该测试可以通过一系列尝试激活CMOS IC中的SCR 结构来完成,而当过电流流过时检查相关引脚。

CMOS的优势

CMOS的优点包括以下几点内容:

CMOS优于TTL的主要优点是良好的噪声容限以及更低的功耗。这是由于从VDD到GND没有直接的导电通道,下降时间取决于输入条件,那么通过CMOS芯片传输数字信号将变得容易且成本低。

CMOS用于解释计算机主板上将存储在BIOS设置中的内存量。这些设置主要包括日期、时间和硬件设置等。

如果CMOS以两种方式主动驱动,则输出的优势包括:

  • 使用单个电源,如+VDD
  • 门很简单
  • 输入阻抗高
  • CMOS逻辑在设置状态下使用较少的功率
  • 温度稳定性高
  • 抗噪性好
  • 机械坚固
  • 逻辑摆幅大(VDD)

CMOS的劣势

CMOS的缺点包括以下几点内容:

  • 一旦处理步骤增加,成本将增加,但仍然可以解决。
  • CMOS封装密度比NMOS低。
  • CMOS反相器的另一个缺点是它使用两个晶体管而不是一个NMOS来构建一个反相器,这意味着与NMOS相比,CMOS在芯片上使用更多的空间。当然,由于 CMOS技术的进步,这些缺点以后基本可以得到解决。

CMOS应用

CMOS工艺已经得到了广泛应用,并从根本上取代了几乎所有数字逻辑应用的NMOS和双极工艺。CMOS技术已用于以下数字IC设计。

  • 计算机内存、CPU
  • 微处理器设计
  • 微控制器设计
  • 闪存芯片设计
  • 用于设计专用集成电路 (ASIC)和和其他数字逻辑电路

总结

CMOS晶体管非常有名,因为它们有效地使用了电能。每当他们从一种状态变为另一种状态时,它们就不会使用电源。

此外,互补的半导体相互工作以停止o/p电压,结果是提供更少热量的低功耗设计,由于这个原因,这些晶体管改变了其它早期设计,如相机传感器中的CCD并在大多数当前处理器中使用。计算机内的CMOS 内存是一种非易失性RAM,用于存储BIOS设置和时间和日期信息。

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