טכנולוגיית CMOS: יסודות, ייצור, קנה מידה ויישומים

CMOS (מתכת–תחמוצת–מוליכים למחצה משלים) היא הטכנולוגיה העיקרית המשמשת בשבבים מודרניים, משום שהיא משתמשת יחד בטרנזיסטורים של NMOS ו-PMOS כדי להפחית בזבוז חשמל. היא תומכת במעגלים דיגיטליים, אנלוגיים ומעורבים במעבדים, זיכרון, חיישנים ומכשירים אלחוטיים. מאמר זה מספק מידע על תפעול CMOS, שלבי ייצור, קנה מידה, צריכת חשמל, אמינות ויישומים.

יסודות טכנולוגיית CMOS

מתכת-תחמוצת-מוליכים משלימים (CMOS) היא הטכנולוגיה העיקרית המשמשת לבניית מעגלים משולבים מודרניים. הוא משתמש בשני סוגי טרנזיסטורים: NMOS (MOSFET בערוץ n) ו-PMOS (MOSFET בערוץ p), המסודרים כך שכאשר אחד פועל, השני כבוי. פעולה משלימה זו מסייעת להפחית בזבוז חשמל במהלך פעולה רגילה.

CMOS מאפשר להניח מספר רב מאוד של טרנזיסטורים על חתיכת סיליקון קטנה תוך שמירה על צריכת חשמל וחום ברמות שניתן לנהל. בגלל זה, טכנולוגיית CMOS משמשת במעגלים דיגיטליים, אנלוגיים ומעורבים במערכות אלקטרוניות מודרניות רבות, החל ממעבדים וזיכרון ועד חיישנים ושבבים אלחוטיים.

מכשירי MOSFET כליבת טכנולוגיית CMOS

בטכנולוגיית CMOS, ה-MOSFET (טרנזיסטור אפקט שדה של מתכת–תחמוצת–מוליכים למחצה) הוא המתג האלקטרוני הבסיסי. הוא בנוי על וייפר סיליקון ויש לו ארבעה חלקים עיקריים: המקור, הניקוז, השער, והתעלה בין המקור לניקוז. השער מונח על שכבת בידוד דקה מאוד הנקראת תחמוצת השער, שמפרידה אותו מהתעלה.

כאשר מתח מוחל על השער, הוא משנה את המטען בתעלה. זה מאפשר זרם לזרום בין המקור לניקוז או עוצר אותו. בטרנזיסטור NMOS, הזרם מועבר על ידי אלקטרונים. בטרנזיסטור PMOS, הזרם מועבר דרך חורים. על ידי יצירת טרנזיסטורים של NMOS ו-PMOS באזורים שונים הנקראים בארות, טכנולוגיית CMOS יכולה למקם את שני סוגי הטרנזיסטורים על אותו שבב.

פעולת לוגית CMOS במעגלים דיגיטליים

• לוגיקת CMOS משתמשת בזוגות של טרנזיסטורים NMOS ו-PMOS לבניית שערי לוגיקה בסיסיים.

• שער CMOS הפשוט ביותר הוא הממיר, שהופך את האות: כאשר הכניסה היא 0, הפלט הוא 1; כאשר הקלט הוא 1, הפלט הוא 0.

• בממיר CMOS, טרנזיסטור PMOS מחבר את היציאה לאספקת החשמל החיובית כאשר הכניסה נמוכה.

• הטרנזיסטור של NMOS מחבר את היציאה לאדמה כאשר הכניסה גבוהה.

• בפעולה רגילה, רק נתיב אחד (לאספקה או להארקה) פועל בכל פעם, ולכן צריכת החשמל הסטטית נשארת נמוכה מאוד.

• שערי CMOS מורכבים יותר, כגון NAND ו-NOR, נוצרים על ידי חיבור מספר טרנזיסטורים של NMOS ו-PMOS בטור ובמקביל.

CMOS מול NMOS מול TTL: השוואת משפחת לוגיקה

תהליך ייצור שבבי CMOS

• התחל עם וופר סיליקון נקי ואיכותי כבסיס לשבב CMOS.

• ליצור אזורים n-באר ו-p-באר שבהם ייוצרו טרנזיסטורי NMOS ו-PMOS.

• לגדל או להפקיד שכבת תחמוצת שער דקה על פני השטח של הוופר.

• הפקדה ודפוס של חומר השער ליצירת שערי הטרנזיסטור.

• השתלת אזורי המקור והניקוז בדופנטים המתאימים לטרנזיסטורים של NMOS ו-PMOS.

• לבנות מבני בידוד כך שטרנזיסטורים סמוכים לא ישפיעו זה על זה.

• הפקדת שכבות בידוד ושכבות מתכת לחיבור טרנזיסטורים למעגלים פעילים.

• הוספת שכבות מתכת נוספות וקישורים אנכיים קטנים הנקראים ויאס כדי לנתב אותות על פני השבב.

• לסיים עם שכבות פסיבציה מגן, ואז לחתוך את הווייפר לשבבים נפרדים, לארוז אותם ולבדוק.

הרחבת טכנולוגיה ב-CMOS

עם הזמן, טכנולוגיית CMOS עברה מתכונות בגודל מיקרומטר לתכונות בגודל ננומטר. ככל שהטרנזיסטורים קטנים יותר, יותר מהם יכולים להיכנס לאותו אזור שבב. טרנזיסטורים קטנים יכולים גם לעבור מהר יותר ולעיתים פועלים במתחי אספקה נמוכים יותר, מה שמשפר את הביצועים ומפחית אנרגיה בכל פעולה. אבל הצטמצמות מכשירי CMOS מביאות איתם גם אתגרים:

• טרנזיסטורים קטנים מאוד עלולים לדלוף זרם נוסף, מה שמגביר את כוח ההמתנה.

• אפקטי ערוץ קצר מקשים על שליטה בטרנזיסטורים.

• שינויים בתהליכים גורמים לפרמטרי הטרנזיסטור להשתנות יותר ממכשיר למכשיר.

כדי להתמודד עם בעיות אלו, נעשה שימוש במבני טרנזיסטורים חדשים כמו FinFET ומכשירים עם שער רב-סביב, יחד עם שלבי תהליך מתקדמים יותר וכללי עיצוב מחמירים יותר בטכנולוגיית CMOS מודרנית.

סוגי צריכת החשמל במעגלי CMOS

מנגנוני כשל בטכנולוגיית CMOS

מכשירי CMOS עלולים להיכשל בשל נעילה, נזק ל-ESD, הזדקנות ממושכת ושחיקת חיבורי מתכת. ה-latch-up מתרחש כאשר מסלולי PNPN טפיליים בתוך השבב נדלקים ויוצרים חיבור בעל התנגדות נמוכה בין ה-VCC לאדמה; מגעי באר חזקים, טבעות הגנה ומרווחים מתאימים בפריסה עוזרים לדכא את זה. ה-ESD (פריקה אלקטרוסטטית) יכול לחדור דרך תחמוצות וחיבורים דקים כאשר קפיצות מתח מהירות פוגעות בפינים, ולכן רפידות קלט/פלט כוללות בדרך כלל קליפסים ייעודיים ורשתות הגנה מבוססות דיודה. עם הזמן, פרמטרי הזרקת ה-BTI וההזרקה החמה מזיזים את הטרנזיסטור, וצפיפות זרם מופרזת עלולים לגרום לאלקטרוהגירה שמחלישה או שוברת קווי מתכת.

אבני בניין דיגיטליות בטכנולוגיית CMOS

• שערי לוגיקה בסיסיים כמו ממירים, NAND, NOR ו-XOR בנויים מטרנזיסטורים של CMOS.

• אלמנטים עוקבים כמו מנעולים וכפכפים מחזיקים ומעדכנים חלקים של נתונים דיגיטליים.

• בלוקי נתיב נתונים, כולל מחברים, מולטיפלקסרים, שיפטרים ומונים, נוצרים על ידי שילוב שערי CMOS רבים.

• בלוקי זיכרון כמו תאי SRAM מקובצים למערכים לאחסון קטן על השבב.

• תאים סטנדרטיים הם בלוקים לוגיים CMOS מתוכננים מראש שכלים דיגיטליים משתמשים בהם מחדש על פני השבב.

• מערכות דיגיטליות גדולות, כולל מעבדים, בקרים ומאיצים מותאמים אישית, נוצרות על ידי קישור תאים סטנדרטיים ובלוקי זיכרון רבים בטכנולוגיית CMOS.

מעגלים אנלוגיים ו-RF בטכנולוגיית CMOS

טכנולוגיית CMOS אינה מוגבלת ללוגיקה דיגיטלית בלבד. ניתן להשתמש בו גם לבניית מעגלים אנלוגיים הפועלים עם אותות רציפים:

• בלוקים כמו מגברים, משווים והפניות מתח נוצרים מטרנזיסטורי CMOS ורכיבים פסיביים.

• מעגלים אלו מסייעים לחוש, לעצב ולשלוט באותות לפני או אחרי עיבוד דיגיטלי.

CMOS יכול גם לתמוך במעגלי RF (תדר רדיו):

• מגברים, מיקסרים ואוסצילטורים בעלי רעש נמוך יכולים להיות מיושמים באותו תהליך CMOS המשמש ללוגיקה דיגיטלית.

• כאשר בלוקים אנלוגיים, RF ודיגיטליים משולבים על שבב אחד, טכנולוגיית CMOS מאפשרת פתרונות מערכת על שבב מעורבים או RF המטפלים הן בעיבוד אותות והן בתקשורת על שבב יחיד.

יישומים של טכנולוגיית CMOS

סיכום

CMOS תומך בצפיפות טרנזיסטורים גבוהה, הספק סטטי נמוך והחלפה מהירה במעגלים משולבים מודרניים. הוא בונה שערי לוגיקה, בלוקי זיכרון ומערכות דיגיטליות גדולות, תוך תמיכה במעגלי אנלוגיים ו-RF על אותו שבב. ככל שהקנה מידה נמשך, דליפה, אפקטים קצרי ערוץ ושונות במכשירים גדלים, ולכן משתמשים במבנים חדשים כמו FinFET ו-gate-all-around.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

מה ההבדל בין n-well, p-well, ו-twin-well CMOS?

n-well בונה PMOS ב-n-בארות, p-well בונה NMOS ב-p-בארות, ו-twin-well משתמש בשניהם לשליטה טובה יותר בהתנהגות הטרנזיסטורים.

מדוע שבבי CMOS משתמשים בשכבות מתכת מרובות?

כדי לחבר יותר אותות, להפחית עומסי ניתוב ולשפר את יעילות החיווט בכל השבב.

מהו אפקט הגוף בטרנזיסטור CMOS?

מדובר בשינוי במתח הסף הנגרם מהפרש מתח בין המקור לגוף הטרנזיסטור.

מהם קבלי ניתוק בשבבי CMOS?

הם מייצבים את ספק הכוח על ידי הפחתת נפילות מתח ורעש במהלך המיתוג.

למה CMOS צריך מיגון וטבעות שמירה?

להפחית את קישור הרעש ולמנוע הפרעות בין אזורים רגישים לאזורים רועשים במעגל.

איך SRAM שונה מ-DRAM ופלאש ב-CMOS?

ה-SRAM מהיר אך גדול יותר בגודלו, ה-DRAM צפוף יותר אך דורש רענון, והפלאש שומר על הנתונים גם בלי חשמל.