Силовые полупроводники

Описание

КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник, комплементарный металл-оксид-полупроводник) — полупроводниковая технология, широко используемая в цифровых и аналоговых интегральных схемах. Его основной особенностью является использование обоих N-канальные МОП-транзисторы (NMOS) и P-канальные МОП-транзисторы (PMOS) одновременно сформировать дополнительную структуру, тем самым достигая низкого энергопотребления и высокой производительности.

1. Базовая структура КМОП

Базовая единица А. Схема CMOS представляет собой CMOS-инвертор, который состоит из пары NMOS и PMOS транзисторов:

л NMOS (N-канальный МОП-транзистор) : отвечает за понижение уровня, срабатывание при высоком входном уровне и вывод низкого уровня.

л PMOS (P-канальный МОП-транзистор) : отвечает за подтягивание, проводит, когда входной сигнал низкий, и выдает высокий уровень.

2. Основное преимущество КМОП

(1) Сверхнизкое статическое энергопотребление

л В установившемся состоянии (логический 0 или 1) как в NMOS, так и в PMOS всегда имеется одно отключение, при котором ток покоя практически отсутствует (только ток утечки).

л CMOS потребляет очень мало энергии по сравнению с обычными MOS (такими как NMOS или PMOS) и подходит для устройств с батарейным питанием (таких как мобильные телефоны, устройства IoT).

(2) Высокая устойчивость к шуму

л Поскольку уровень выходного сигнала можно стабилизировать на ВДД (высокий уровень) или GND (низкий уровень)CMOS более устойчив к колебаниям напряжения питания и шуму.

(3) Симметричное время нарастания/спада

л NMOS отвечает за быстрое понижение уровня (низкий уровень), а PMOS отвечает за быстрое повышение уровня (высокий уровень), что ускоряет переключение сигнала.

(4) Высокая интеграция

л Процессы КМОП подходят для крупномасштабных интегральных схем (таких как процессоры, память) и поддерживают наноразмерные процессы (например, 5 нм, 3 нм).

3. Основные применения КМОП

Технология КМОП широко применяется в:

1. Цифровые интегральные схемы:

¢ Микропроцессор (ЦП, ГП)

¢ Память (SRAM, DRAM, Flash)

¢ FPGA (программируемое логическое устройство)

2. Аналоговые интегральные схемы:

¢ Преобразователь данных (АЦП/ЦАП)

¢ Радиочастотный (РЧ) чип

3. Датчик:

¢ CMOS-датчик изображения (СНГ, как в камере мобильного телефона)

¢ Биосенсоры

4. Маломощные устройства:

¢ IoT-устройства

¢ Носимые устройства (умные часы)

4. КМОП против обычного МОП (NMOS/PMOS)

5. Проблемы КМОП

Несмотря на очевидные преимущества КМОП, существуют и некоторые проблемы:

л Высокая стоимость производства: Процессы NMOS и PMOS необходимо оптимизировать одновременно.

л Проблемы с динамическим энергопотреблением: Зарядка и разрядка конденсатора при высокочастотном переключении приводит к увеличению энергопотребления (современные чипы для оптимизации используют такие технологии, как DVFS).

л Эффект короткого канала: Ток утечки увеличивается, когда размер транзистора уменьшается до наноразмера (решается с помощью новых технологий, таких как FinFET и GAAFET).

6. Будущие тенденции

л 3D-интеграция: например, 3D NAND, чиплет.

л Новые архитектуры устройств: FinFET (полевой транзистор Fin), GAAFET (транзистор с окружающим затвором).

л Оптимизация низкого энергопотребления: Околопороговые вычисления (NTC), асинхронная КМОП.

Краткое содержание

КМОП с ее низкое энергопотребление, высокая интеграция и высокая надежность, стала основной технологией современных интегральных схем и широко используется в вычислениях, связи, хранении и измерении. Благодаря технологическому прогрессу (например, 3-нм, 2-нм) CMOS продолжит стимулировать развитие электронных технологий.