что такое кмоп технология
Что такое кмоп технология
КМОП (К-МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП [1] ; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor ) — технология построения электронных схем. 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 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; как следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.
Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП.
Содержание
История
Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) 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 к электростатическим разрядам. 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.
Технология
Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.
В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, 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 заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).
На рисунке с топологией микросхемы 2И-НЕ можно заметить, что в ней используются два двухзатворных полевых транзистора разных конструкций. Верхний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую функцию 2ИЛИ, а нижний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую функцию 2И.
Микросхемы КМОП
Общие сведения о микросхемах КМОП (CMOS)
Наглядный пример тому, как всё сложно запутанно в определении приоритетов научно-исследовательских работ, это микросхемы КМОП и их появление на рынке.
Дело в том, что полевой эффект, который лежит в основе МОП-структуры был открыт ещё в конце 20-х годов прошлого века, но радиотехника тогда переживала бум вакуумных приборов (радиоламп) и эффекты, обнаруженные в кристаллических структурах, были признаны бесперспективными.
Затем в 40-е годы практически заново был открыт биполярный транзистор, а уже потом, когда дальнейшие исследования и усовершенствования биполярных транзисторов показали, что это направление ведёт в тупик, учёные вспомнили про полевой эффект.
Так появился МОП-транзистор, а позднее КМОП-микросхемы. Буква К в начале аббревиатуры означает комплементарный, то есть дополняющий. На практике это означает, что в микросхемах применяются пары транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой транзистор имеет затвор p-типа. На зарубежный манер микросхемы КМОП называют CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Также применяются сокращения КМДП, К-МОП.
Среди обычных транзисторов примером комплементарной пары являются транзисторы КТ315 и КТ361.
Сначала на рынке радиоэлектронных компонентов появилась серия К176 основанная на полевых транзисторах, и, как дальнейшее развитие этой серии, была разработана ставшая очень популярной серия К561. Эта серия включает в себя большое количество логических микросхем.
Поскольку полевые транзисторы не так критичны к напряжению питания, как биполярные, эта серия питается напряжением от +3 до +15V. Это позволяет широко использовать эту серию в различных устройствах, в том числе и с батарейным питанием. Кроме того, устройства собранные на микросхемах серии К561, потребляют очень маленький ток. Да и не мудрено, ведь основу КМОП-микросхем составляет полевой МДП-транзистор.
Например, микросхема К561ТР2 содержит четыре RS-триггера и потребляет ток 0,14 mA, а аналогичная микросхема серии К155 потребляла минимум 10 – 12 mA. Микросхемы на КМОП структурах обладают очень большим входным сопротивлением, которое может достигать 100 МОм и более, поэтому их нагрузочная способность достаточно велика. К выходу одной микросхемы можно подключить входы 10 – 30 микросхем. У микросхем ТТЛ такая нагрузка вызвала бы перегрев и выход из строя.
Поэтому конструирование узлов на микросхемах с применением КМОП транзисторов позволяет применять более простые схемные решения, чем при использовании микросхем ТТЛ.
За рубежом наиболее распространённый аналог серии К561 маркируется как CD4000. Например, микросхеме К561ЛА7 соответствует зарубежная CD4011.
Используя микросхемы серии К561, не следует забывать о некоторых нюансах их эксплуатации. Следует помнить, что хотя микросхемы работоспособны в большом диапазоне напряжений, при снижении напряжения питания падает помехоустойчивость, а импульс слегка «расползается». То есть чем напряжение питания ближе к максимуму, тем круче фронты импульсов.
На рисунке показан классический базовый элемент (вентиль), который осуществляет инверсию входного сигнала (элемент НЕ). То есть если на вход приходит логическая единица, то с выхода снимается логический ноль и наоборот. Здесь наглядно показана комплементарная пара транзисторов с затворами «n» и «p» типов.
На следующем рисунке показан базовый элемент 2И – НЕ. Хорошо видно, что резисторы, которые присутствуют в аналогичном элементе ТТЛ микросхемы, здесь отсутствуют. Из двух таких элементов легко получить триггер, а из последовательного ряда триггеров прямая дорога к счётчикам, регистрам и запоминающим устройствам.
При всех положительных качествах интегральных микросхем серии К561 у них, конечно, есть и недостатки. Во-первых, по максимальной рабочей частоте КМОП микросхемы заметно уступают микросхемам с другой логикой и работающей на биполярных транзисторах.
Частота, на которой уверенно работает серия К561, не превышает 1 МГц. Для согласования микросхем основанных на МОП структурах с другими сериями, например, ТТЛ, применяются преобразователи уровня К561ПУ4, К561ЛН2 и другие. Эти микросхемы также синхронизируют быстродействие, которое у разных серий может отличаться.
Но самый большой недостаток микросхем на комплементарных МОП структурах, это сильнейшая чувствительность микросхемы к статическому электричеству. Поэтому на заводах и лабораториях оборудуются специальные рабочие места. На столе все работы производятся на металлическом листе, который подключён к общей шине заземления. К этой шине подключается и корпус паяльника, и металлический браслет, одеваемый на руку работнику.
Некоторые микросхемы поступают в продажу упакованные в фольгу, которая закорачивает все выводы между собой. При работе в домашних условиях также необходимо найти возможность для стекания статического заряда хотя бы на трубу отопления. При монтаже первыми распаиваются выводы питания, а уже затем все остальные.
Что такое кмоп технология
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).
CMOS-технология
CMOS-технология — одна из нескольких технологий разработки и построения схем электроники. Само название технологии является аббревиатурой английского выражения — complementary metal-oxide-semiconductor. В русской транскрипции — КМОП, или комплементарная логика с транзисторами на металл-оксид-полупроводнике.
Работа транзисторов МОП-структуры основана на полевом эффекте, открытом ещё в 20-х годах девятнадцатого века. В микросхемах, построенных по CMOS-технологии, применяются пары полевых транзисторов с одинаковыми параметрами, но с разными проводимостями изолированных затворов. Если у одного транзистора затвор p-типа, то у другого он n-типа; следствием такой структуры является более высокое быстродействие.
Схемы CMOS изобрёл американский инженер Фрэнк Вонлас в 1963-м году, а первые микросхемы по этой технологии появились уже в 1968-м. Эти схемы отличаются от схем, выполненным по другим технологиям — ЭСЛ, ТТЛ и др. ничтожно малым энергопотреблением в режиме «покоя», что обусловливается отсутствием каких-либо нагрузочных резисторов. Основной расход энергии происходит в моменты переключений состояния схемы, в остальное время транзисторы закрыты, и через них протекает только ток утечки, которым, в большинстве случаев, можно пренебречь. Такие микросхемы нашли широкое применение в электронных устройствах с питанием от батарей — часы, микрокалькуляторы, сотовые телефоны и др. — где энергосбережение является одним из определяющих факторов.
По мере совершенствования технологии изготовления микросхем и интеграции в одном пикселе приёмника информации, средств её обработки и вывода, появилась возможность производства CMOS-матриц больших размеров. Такие матрицы применяются в различных видеокамерах, на их базе конструируются цифровые фотоаппараты, охранные датчики в системах безопасности и др.
CMOS матрица
В неразрушающем контроле CMOS-матрицы используются в видеоэндоскопах при обследовании труднодоступных мест, а также они являются основной частью детекторов рентгеновского излучения. В качестве примера можно привести детектор, выполненный на основе матрицы светочувствительных элементов из аморфного кремния — а-Si, где сцинтиллятором служит оксисульфид гадолиния — Gd2O2S.
Фрэнк Вонлас, в 1963-м году создал первую схему CMOS
UltraCMOS Фирмы «Peregrine Semiconductor»: СВЧ возможности КМОП-технологии
Полагаю, что у большинства аббревиатура КМОП (CMOS ) ассоциируется с микросхемами логики и полевыми транзисторами. Для производства СВЧ компонентов в основном используются элементы из групп ///-/V Таблицы Менделеева: GaAs, InP, SiGe. Развивая технологию КНС – Кремний На Сапфире (Si & Al2O3) более 25 лет, компания «Peregrine Semiconductor» создала технологию UltraCMOS 11, которая по показателю Ron*Coff обладает лучшими параметрами, чем доминирующая на рынке десятилетиями технология GaAs.
Толчком к развитию технологии КНС послужила ее повышенная радиационная стойкость, которая необходима для космических (Space) и высоконадежных (Hi-Rel) применений. Так, например, полностью отсутствует «тиристорный эффект» (SEL ). Отсутствует и повышенная чувствительность к низким дозам радиации (ELDRS ). В настоящий момент такая продукция поставляется через подразделение компании E2V. Фирма «Peregrine Semiconductor» поставляет гражданскую продукцию — в данный момент до 40 ГГц – и продолжает повышать планку!
На данный момент компания «Peregrine Semiconductor» производит для высоконадежного рынка: переключатели до 8.5 ГГц, цифровые аттенюаторы до 4 ГГц, преобразователи вторичного питания, микросхемы ФАПЧ до 5 ГГц и предделители частоты до 13.5 ГГц.
Для гражданского рынка: переключатели до 40ГГц, цифровые аттенюаторы до 8 ГГц, конденсаторы перестраиваемые цифрой до 3ГГц, ограничители мощности с переменным порогом до 6ГГц, смесители, монолитные контроллеры амплитуды и фазы и GaN FET драйверы.
По ряду параметров микросхемы фирмы «Peregrine Semiconductor» успешно конкурируют с такими известными производителями, как Skyworks, RFMD (Qorvo), Hittite (ADI). Рассмотрим наиболее удачные из них.
1. СВЧ переключатели (RF Switches)
СВЧ переключатели производятся с момента основания компании и имеют наиболее широкую номенклатуру – более 50 изделий. Они находят применение в сотовой связи, радио- и измерительном оборудовании, антенных системах и кабельных сетях.
Достоинствами переключателей фирмы «Peregrine Semiconductor» является их низкая стоимость, низкое энергопотребление, высокая линейность и для многих — расширенный рабочий диапазон температур. Из недостатков – они далеко не самые быстрые и мощные. Лучшее время переключения составляет 145 нс, самая большая коммутируемая мощность – 18 Вт. Максимальное число полюсов – 5 (SP5T ). На частоте порядка 200 МГц лучшие потери 0.1 дБ, а изоляция – 94 дБ.
PE42524 – это широкополосный SPDT переключатель 0.01-40 ГГц в корпусе flip-chip. Рекомендации по монтажу такого корпуса с примерами даны в AN42.
Переключатель характеризуется: высокой изоляцией 50 дБ @ 26.5 ГГц, 51 дБ @ 40 ГГц; отличной линейностью – 31.5 дБм @ 26.5 ГГц и низкими потерями – 1.8 дБ @ 26.5 ГГц, 3.1 дБ @ 35 ГГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 2 кВ (HBM). Это единственный КМОП переключатель, который забрался так высоко! Среди остальных широкополосных переключателей следует отметить также PE42522, который работоспособен до 26.5 ГГц и PE42542/PE42543 — до 18 ГГц.
PE42920 – сдвоенный дифференциальный переключатель 10 – 6000 МГц. Потери – 1 дБ @ 1 ГГц, изоляция 26 дБ в том же канале и 30 дБ – между разными каналами. Имеет встроенную защиту от электростатики 2 кВ (HBM). Потребляет всего лишь 100 мкА @ 3.3 В
2.Цифровые аттенюаторы (DSA)
Гражданская линейка содержит более 20 микросхем PE43XXX, как 50-ти, так и 75-ти Ом-ных. Верхним в линейке продуктом является PE43705 с диапазоном рабочих частот от 9кГц до 8 ГГц, вносимым ослаблением до 31.75 дБ с минимальным шагом 0.25 дБ, что соответствует 128 комбинациям или 7-ми битному управлению.
Для высоконадежных применений выпускается лишь PE94302 с диапазоном рабочих частот 0.25-4000 МГц, вносимым ослаблением до 31.5 дБ с минимальным шагом 0.5 дБ, что соответствует 6-ти битному управлению.
Одним из недостатков цифровых аттенюаторов являются выбросы в момент их переключения, из-за несинхронной работы внутренних ключей. Фирма «Peregrine Semiconductor» разработала семейство аттенюаторов PE43711/PE43712/PE43713 (glitchless), которое практически полностью свободно от этого недостатка. Вдобавок, эти микросхемы совместимы по выводам с предыдущими поколениями цифровых аттенюаторов, что позволяет легко произвести их замену.
3. Конденсаторы перестраиваемые цифрой (DTC) и настроечные переключатели (TCS).
В своем роде уникальные микросхемы. Линейка DTC содержит 8 микросхем PE64X0X с диапазоном рабочих частот 100-3000 МГц. Такая микросхема содержит набор переключаемых конденсаторов с 4-х или 5-ти битным управлением, что дает 16 или 32 различных состояния. Максимальный диапазон емкости: 1.88-14 пФ с шагом 391 фемтофарад, минимальный: 0.6-2.35 пФ с шагом 117 фемтофарад. Управляются эти микросхемы по SPI или I2C интерфейсу. Их удобно использовать для перестройки антенн, подстройки, коррекции и оптимизации различных СВЧ цепей.
Настроечные переключатели (TCS) PE613010/PE613050 предназначены для коммутации внешних цепей коррекции для тех же частот.
4. Ограничители мощности (Power Limiters)
Используются для защиты чувствительных цепей в импульсных системах. Производится два ограничителя. Топовый PE45450 имеет диапазон рабочих частот от 9 кГц до 6 ГГц и порог ограничения 25-35 дБм. Характеризуются высокой линейностью по входу IP3 = 70 дБм @ 915 МГц. Постоянная допустимая мощность – 10 Вт, импульсная – 50 Вт. Имеет встроенную защиту от электростатики 8 кВ (HBM). Важное преимущество, помимо регулируемого порога ограничения — высокая скорость реакции – порядка 1 нс!
5. Смесители (Mixers)
Текущая линейка состоит из 5-ти микросхем. В настоящий момент наиболее высокочастотным является смеситель с подавлением зеркальной составляющей PE41901 для диапазона частот 10-19 ГГц. Потери преобразования составляют 8 дБ при мощности гетеродина 17 дБм, промежуточная частота составляет 0-4 ГГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 1 кВ (HBM). Микросхема полностью совместима по выводам со смесителями HMC527LC4 (8.5-13.5ГГц) и HMC528LC4 (11-16ГГц) производства фирмы ADI (Hittite).
6. Предделители частоты (Prescalers)
Для гражданского рынка производится лишь PE35400 – делитель на 4 для частот 3-13.5 ГГц в виде кристалла. Остальные 7 микросхем – делители на 2, 4 и 8 до 13.5 ГГц предназначены для высоконадежного рынка.
7. Микросхемы ФАПЧ (PLL)
8. Фазовращатели и Монолитные Контроллеры Амплитуды и Фазы (MPAC)
Этим микросхемам посвящена обзорная статья. На данный момент фазовращатель выпускается только один: PE44820 — для диапазона частот 1.7-2.2 ГГц, который перекрывает все 360° с разрешением по фазе 1.4°. При работе в узкой полосе он может использоваться для частот 1-3 ГГц.
MPAC’и – это 3-и более сложные микросхемы PE461X0 для построения составных усилителей Doherty и PE19601 которая предназначена для использования в антенных решетках и измерительном оборудовании. PE46120/PE46130/PE46140 работают в частотных диапазонах 1.8-2.2/2.3-2.7/3.4-3.8 ГГц соответственно и помимо фазовращателя, который перекрывает 90° с шагом 2.8° содержат еще и аттенюатор 7.5 дБ с шагом 0.5 дБ. PE19601 помимо фазовращателя, который перекрывает 360° с шагом 5.6° и аттенюатора 31.5 дБ с шагом 0.5 дБ содержит еще и переключатели для разных режимов работы. Эта микросхема работает в частотном диапазоне 8-12 ГГц (X-band).
9. Микросхемы для преобразования мощности (Power Management)
Для гражданского рынка выпускается самый быстрый в мире драйвер полевого транзистора GaN PE29100. Он выпускается в корпусе flip-chip размером 2х1.6 мм, имеет частоту переключения 33 МГц, задержку распространения 8 нс и время включения/выключения 1 нс.
Фирма «Peregrine Semiconductor» развивается, расширяя номенклатуру изделий и совершенствуя технологию, идя по пути уменьшения проектных норм и увеличения рабочих частот. Начиналось все с технологии UltraCMOS2 и проектных норм 500 нм, современная СВЧ технология UltraCMOS11 использует проектные нормы 130 нм и пластины диаметром 300 мм. Применение лишь широко распространенных химических элементов: Si и Al, делает ее недорогой и перспективной.