Реклама


CHMOS

Последовательность операций травления и осаждения для получения типовой КМОП-структуры логического инвертора
Статический логический элемент «НЕ» на КМОП

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем — КМОП.

В более общем случае название — КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения логических состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов локализованных в одном месте кристалла. Вследствие меньшего расстояния между элементами КМОП-схемы обладают бо́льшим быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки на поверхности кристалла.

По аналогичной технологии выпускаются дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).

История[ | код]

Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас[en] из компании Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968. Долгое время КМОП рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ, поэтому микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах, калькуляторах и других устройствах с батарейным питанием, где энергопотребление было критичным.

К 1990 году с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеивания энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в выигрышном положении. Со временем были достигнуты скорость переключения и плотность монтажа, недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах.

Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы для электростатических разрядов. Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.

Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий. Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний.

Схемотехника[ | код]

Схема логического элемента, выполняющего логическую функцию 2И-НЕ
Топология логического элемента 2И-НЕ (схема)

Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

В схеме нет никаких нагрузочных резисторов, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень низкое. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на перезаряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

На рисунке конфигурации микросхемы 2И-НЕ показано, что в ней используются два двухзатворных полевых транзистора с разным типом проводимости канала. Верхний двухзатворный полевой транзистор формирует высокий уровень на выходе логического элемента, если любой из затворов имеет низкий уровень, а нижний двухзатворный полевой транзистор формирует высокий уровень на выходе логического элемента, если оба затвора имеют высокий уровень.

Следует отметить, что, поскольку переключение n-канальных и p-канальных транзисторов имеет конечное время, на короткое время оба типа транзисторов могут быть открыты и между цепями питания возникает импульсный сквозной ток. Это приводит к повышению энергопотребления.

Защита от статического электричества[ | код]

Так как затворы МДП-транзисторов имеют большое входное сопротивление, электростатический разряд может привести к пробою затвора и выходу микросхемы из строя. Для защиты от статического электричества каждый вывод КМОП-микросхемы оснащают защитной схемой, в которую входят диоды с низким напряжением пробоя, соединяющие каждый вход с шинами питания.

Технология[ | код]

Серии и семейства логических КМОП-микросхем[ | код]

Серии и семейства логических КМОП-микросхем[ | код]

Для более гибкого применения у ряда производителей существуют также особые семейства, в которых каждая ИМС включает всего 1 логический элемент в 5..6-выводном корпусе, что бывает полезно для конструкций с малым количеством разных элементов и минимальным размером платы (например: 74LVC1G00GW фирмы NXP; SOT353-1 Single 2-Input Positive-AND Gate)

Серии логических КМОП-микросхем производства СССР[ | код]

Микросхема К176ТМ1 — 2 D-триггера

См. также[ | код]

Примечания[ | код]

Литература[ | код]

Реклама