Mạch hòn đảo dùng CMOS
CMOS, viết tắt của “Complementary Metal-Oxide-Semiconductor” trong tiếng Anh, là thuật ngữ chỉ một loại công nghệ dùng để chế tạo mạch tích hợp. Công nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các cổng logic khác. Công nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự như cảm biến ảnh, chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạch thu phát có mật độ tích hợp cao trong lĩnh vực thông tin.
Trong tên gọi của vi mạch này, thuật ngữ tiếng Anh ” complementary ” ( ” bù ” ), ám chỉ việc phong cách thiết kế những hàm lôgíc trong những vi mạch CMOS sử dụng cả hai loại transistor PMOS và NMOS và tại mỗi thời gian chỉ có một loại transistor nằm ở trạng thái đóng ( ON ) .
Hai đặc tính cơ bản của các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ CMOS là có độ miễn nhiễu cao và tiêu thụ năng lượng ở trạng thái tĩnh rất thấp. Các vi mạch CMOS chỉ tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể khi các transistor bên trong nó chuyển đổi giữa các trạng thái đóng (ON) và mở (OFF). Kết quả là các thiết bị CMOS ít tiêu thụ năng lượng và tạo ra ít nhiệt hơn so với các loại cổng logic khác như mạch transistor-transistor logic (TTL) hay mạch logic NMOS (khác với CMOS, NMOS chỉ dùng toàn bộ transistor hiệu ứng trường kiểu n và không dùng transistor hiệu ứng trường kiểu p). CMOS cũng cho phép tích hợp các hàm lôgíc với mật độ cao trên chíp.
Bạn đang đọc: CMOS – Wikipedia tiếng ViệtCMOS – Wikipedia tiếng Việt
Cụm từ ” metal-oxide-semiconductor ” bắt nguồn từ một tiến trình sản xuất những vi mạch tích hợp CMOS trước đây. Quy trình này tạo ra những transistor hiệu ứng trường mà mỗi transistor có một điện cực cổng bằng sắt kẽm kim loại được đặt lên trên một lớp cách điện bằng oxide phủ trên vật tư bán dẫn. Ngày nay, thay vì dùng sắt kẽm kim loại, người ta tạo ra điện cực cổng bằng một vật tư khác, đó là polysilicon. Tuy nhiên, IBM và Intel đã công bố sẽ sử dụng trở lại cổng sắt kẽm kim loại trong công nghệ CMOS nhằm mục đích tận dụng đặc thù tiên tiến và phát triển của vật tư có hằng số điện môi cao trong việc sản xuất những vi mạch có size 45 nanomét hay nhỏ hơn. Dù có nhiều đổi khác, tên gọi CMOS vẫn liên tục được sử dụng trong những quá trình sản xuất tân tiến .
Một vi mạch tích hợp nhỏ chứa một lượng lớn các tranzito CMOS đôi khi được gọi là vi mạch tích hợp CHMOS. Thuật ngữ CHMOS viết tắt của “Complementary High-density metal-oxide-semiconductor” trong tiếng Anh.
Đôi khi, mạch tích hợp giữa những cảm ứng MEMS với bộ giải quyết và xử lý tín hiệu số được sản xuất trên một vi mạch tích hợp CMOS đơn được gọi là CMOSens
Lịch sử tăng trưởng
Frank Wanlass đã ý tưởng ra những mạch CMOS vào năm 1963 tại hãng Fairchild Semiconductor. Vào năm 1968, mạch tích hợp CMOS tiên phong đã được sản xuất bởi một nhóm nghiên cứu và điều tra tại RCA do Albert Medwin chỉ huy. Khởi đầu, CMOS được xem như thể một giải pháp thay thế sửa chữa cho TTL ( logic ) để có được những vi mạch tuy vận tốc hoạt động giải trí chậm hơn TTL nhưng lại tiêu tốn nguồn năng lượng ít hơn. Chính vì vậy, những ngày đầu CMOS được sự chăm sóc của ngành công nghiệp đồng hồ đeo tay điện tử và 1 số ít nghành nghề dịch vụ khác mà thời hạn sử dụng pin quan trọng hơn so với yếu tố vận tốc. Khoảng 25 năm sau, CMOS đã trở thành kỹ thuật chiếm lợi thế trong vi mạch tích hợp số. Lý do là với việc sinh ra những thế hệ quá trình sản xuất bán dẫn mới, size hình học của những transistor ngày càng giảm xuống dẫn đến một loạt nâng cấp cải tiến ; đó là diện tích quy hoạnh chiếm chỗ của vi mạch giảm, vận tốc thao tác tăng, hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng tăng và giá thành sản xuất giảm. Hơn nữa, nhờ vào sự đơn thuần và năng lực tiêu tán hiệu suất tương đối thấp của mạch CMOS, người ta hoàn toàn có thể thực thi vi mạch có tỷ lệ tích hợp cao mà vốn không hề làm được nếu dựa trên những transistor lưỡng cựcLúc khởi đầu, người ta chỉ hoàn toàn có thể tìm thấy những hàm logic CMOS chuẩn trong vi mạch tích hợp số họ 4000. Sau đó, nhiều hàm trong họ 7400 mở màn được sản xuất bằng kỹ thuật CMOS, NMOS, BiCMOS và những kỹ thuật khác .Cũng trong thời kỳ đầu, mạch CMOS dễ bị hư hỏng vì quá nhạy cảm với sự xả điện tích tĩnh điện ( ESD ). Do đó, những thế hệ sau thường được sản xuất kèm theo những mạch bảo vệ phức tạp nhằm mục đích làm tiêu tán những điện tích này, không để cho lớp oxide cổng và những tiếp giáp p-n mỏng mảnh bị hủy hoại. Mặc dầu vậy, hãng sản xuất vẫn khuyến nghị nên dùng bộ phận chống tĩnh điện khi thao tác trên những vi mạch CMOS nhằm mục đích tránh hiện tượng kỳ lạ vượt quá nguồn năng lượng. Chẳng hạn, những hãng sản xuất thường nhu yếu dùng bộ phận chống tĩnh điện khi tất cả chúng ta làm những thao tác thêm một khối bộ nhớ vào máy vi tính .
Bên cạnh đó, các thế hệ ban đầu như họ 4000 dùng nhôm làm vật liệu tạo ra cực cổng. Điều này khiến cho CMOS có khả năng làm việc được trong điều kiện điện áp cung cấp thay đổi nhiều, cụ thể là nó có thể làm việc trong suốt tầm điện áp cung cấp từ 3 đến 18 volt DC. Trong nhiều năm sau đó, mạch logic CMOS được thiết kế với điện áp cung cấp chuẩn công nghiệp là 5V vì để tương thích với TTL (logic). Kể từ 1990, bài toán tiêu hao công suất thường được coi trọng hơn so với bài toán tương hợp với TTL, và thế là điện áp cung cấp CMOS bắt đầu được hạ thấp xuống cùng với kích thước hình học của các transistor. Điện áp cung cấp thấp không chỉ giúp làm giảm công suất tiêu hao mà còn cho phép chế tạo lớp cách điện cực cổng mỏng hơn, chức năng tốt hơn. Hiện nay, một vài mạch CMOS làm việc với điện áp cung cấp nhỏ hơn 1 volt.
Trong thời kỳ đầu, điện cực cổng được sản xuất bằng nhôm. Các tiến trình sản xuất CMOS đời sau chuyển sang dùng silicon đa tinh thể ( ” polysilicon ” ), đồng ý được tốt hơn ở nhiệt độ cao trong quy trình tôi silicon sau khi đã cấy ion. Điều này cho phép nhà sản xuất hoàn toàn có thể đặt cực cổng ngay từ những quy trình sớm hơn trong quy trình tiến độ và rồi dùng trực tiếp cực cổng như thể một mặt nạ cấy để tạo ra một cực cổng tự sắp xếp ( cực cổng không tự sắp xếp sẽ yên cầu có sự chồng lấp lên nhau khiến hãng sản xuất phải đồng ý tăng size transistor và điện dung ký sinh ). Vào năm 2004, cũng có những khu công trình nghiên cứu và điều tra ý kiến đề nghị dùng lại cực cổng bằng sắt kẽm kim loại, nhưng cho đến nay, những tiến trình vẫn liên tục sử dụng cực cổng polysilicon. Cũng có những nỗ lực lớn trong nghiên cứu và điều tra nhằm mục đích thay chất điện môi silicon dioxide ở cực cổng bằng vật tư điện môi k-cao để chống lại hiện tượng kỳ lạ tăng dòng rĩ .
Chi tiết kĩ thuật
CMOS là tên dùng để ám chỉ cả hai góc nhìn : đó là một phong thái phong cách thiết kế mạch số đơn cử và cũng là tên của một họ những quá trình sản xuất nhằm mục đích thực thi mạch điện tử trên vi mạch ( chip ). Mạch logic CMOS tạo ra từ quy trình tiến độ CMOS sẽ tiêu tán ít nguồn năng lượng hơn và được cho phép tích hợp với tỷ lệ cao hơn so với những tiến trình khác với cùng một tính năng. Khi ưu điểm này ngày càng bộc lộ và trở nên quan trọng hơn, quá trình CMOS và những quy trình tiến độ biến thể của nó đã trở thành công nghệ chủ yếu, chính do đó cho đến năm 2006, hầu hết những sản xuất vi mạch tích hợp đều dùng quá trình CMOS . Mạch logic CMOS dùng một tổng hợp hai loại transistor hiệu ứng trường kim loại-oxide-bán dẫn ( MOSFET ) kiểu p và kiểu n để triển khai những cổng logic và những mạch số khác mà tất cả chúng ta thấy trong máy vi tính, thiết bị viễn thông và giải quyết và xử lý tín hiệu. Mặc dầu mạch logic CMOS cũng hoàn toàn có thể được thực thi bằng linh phụ kiện rời ( ví dụ điển hình, những mạch rời mà bạn học trong môn mạch điện tử cơ bản ), thường thì mẫu sản phẩm CMOS thương mại nổi bật là mạch tích hợp gồm có hàng triệu ( hay hàng trăm triệu ) transistor của cả hai kiểu được sản xuất trên một miếng silicon hình chữ nhật có diện tích quy hoạnh trong khoảng chừng 0,1 đến 4 cm vuông. Những miếng silicon như vậy thường được gọi là chip, mặc dầu trong công nghiệp người ta cũng gọi nó là die, có lẽ rằng bời vì chúng được tạo ra từ việc cắt nhỏ ( dicing ) miếng bánh silicon hình tròn trụ là đơn vị chức năng cơ bản của sự sản xuất dụng cụ bán dẫnTrong cổng logic CMOS, một số ít MOSFET kiểu n được sắp thành dạng mạch kéo xuống nằm giữa đầu ra của cổng với đường phân phối nguồn điện áp thấp. Thay vì dùng tải là điện trở như trong những cổng logic NMOS, cổng logic CMOS lại dùng tải là một số ít MOSFET kiểu p sắp thành dạng mạch kéo lên nằm giữa đầu ra của cổng với đường phân phối nguồn điện áp cao. Mạch kéo lên, gồm những transistor kiểu p, mang tính bổ túc cho mạch kéo xuống, gồm những transistor kiểu n, sao cho khi những transistor kiểu n tắt thì những transistor kiểu p sẽ dẫn và ngược lại .
Mạch logic CMOS tiêu tán công suất ít hơn mạch logic NMOS bởi vì CMOS chỉ tiêu tán công suất trong thời gian chuyển đổi trạng thái (công suất động). Một ASIC điển hình được chế tạo với công nghệ 90nm thay đổi trạng thái đầu ra trong thời gian 120 pico giây, và sự chuyển đổi này xảy ra trong mỗi thời gian 10 nano giây. Trong khi đó, mạch logic NMOS tiêu tán công suất bất kỳ lúc nào đầu ra ở mức thấp (công suất tĩnh), bởi vì khi đó có dòng điện chạy từ Vdd đến Vss thông qua điện trở tải và mạch gồm các transistor kiểu n.
MOSFET kiểu p được xem là dạng bổ túc cho MOSFET kiểu n chính do chúng chuyển sang dẫn khi điện áp cực cổng của chúng thấp hơn điện áp cực nguồn và do tại chúng hoàn toàn có thể kéo cực máng lên đến Vdd. Như vậy, nếu cả hai transistor kiểu p và kiểu n có cực cổng nối chung với nhau để trở thành một đầu vào chung thì MOSFET kiểu p sẽ dẫn khi MOSFET kiểu n tắt và ngược lại .
Ví dụ : cổng NAND
Như là một ví dụ, hình bên phải là sơ đồ mạch của một cổng NAND trong mạch CMOS.
Nếu cả hai đầu vào A và B đều ở mức cao, khi đó cả hai transistor kiểu n ( nửa dưới của sơ đồ ) đều dẫn, trong khi đó không có transistor kiểu p nào ( nửa trên của sơ đồ ) dẫn, như vậy chỉ có một đường dẫn điện được thiết lập giữa đầu ra và Vss, điều này khiến cho đầu ra ở mức thấp. Nếu một trong hai đầu ra A và B hoặc cả hai đầu này đều ở mức thấp thì tối thiểu sẽ có một transistor kiểu n không dẫn, tối thiểu một transistor kiểu p sẽ dẫn, tạo ra một đường dẫn điện giữa đầu ra và Vdd, điều này khiến đầu ra ở mức cao .Một ưu điểm khác của CMOS so với NMOS là cả hai quy trình quy đổi từ mức-thấp-đến-mức-cao và từ mức-cao-đến-mức-thấp của CMOS là nhanh vì những transistor kéo lên có trở kháng thấp khi chuyển sang dẫn, không giống như điện trở tải của mạch dùng NMOS.Thêm nữa, tín hiệu ngõ ra có năng lực quét gần suốt tầm điện áp nằm giữa hai nguồn điện áp cung ứng nguồn thấp và cao. Đáp ứng gần đối xứng hơn, mạnh hơn này cũng khiến CMOS có năng lực chống nhiễu tốt hơn .