ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS: ພື້ນຖານ, ການ ປະດິດ, ການ ຂະຫຍາຍ ແລະ ການ ນໍາ ໃຊ້

CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) ເປັນເຕັກໂນໂລຊີຫຼັກທີ່ໃຊ້ໃນຊິບສະໄຫມໃຫມ່ ເພາະມັນໃຊ້ NMOS ແລະ PMOS transistor ນໍາກັນເພື່ອຫລຸດຜ່ອນພະລັງງານທີ່ເສຍໄປ. ມັນສະຫນັບສະຫນູນຫມວດ digital, analog ແລະ mixed-signal ໃນ processors, memory, sensor ແລະ wireless devices. ບົດຄວາມນີ້ໃຫ້ຂໍ້ມູນກ່ຽວກັບການດໍາເນີນງານ CMOS, ຂັ້ນຕອນການຜະລິດ, ການຂະຫຍາຍ, ການໃຊ້ພະລັງງານ, ຄວາມເຊື່ອຖືແລະການນໍາໃຊ້.

ຄ1. ພື້ນຖານ ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS

ຄ2. ອຸປະກອນ MOSFET ເປັນຫຼັກຂອງເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ຄ3. ການດໍາເນີນງານ CMOS Logic ໃນຫມວດ Digital

ຄ4. CMOS vs NMOS vs TTL: ການປຽບທຽບຄອບຄົວ Logic

ຄ5. ຂະບວນການຜະລິດ CMOS Chip

ຄ6. ການຂະຫຍາຍເຕັກໂນໂລຊີໃນ CMOS

ຄ7. ປະເພດຂອງການໃຊ້ພະລັງງານໃນຫມວດ CMOS

ຄ8. ກົນໄກຄວາມລົ້ມເຫລວໃນເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ຄ9. Digital Building Blocks ໃນ ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS

ຄ10. ຫມວດ analog ແລະ RF ໃນເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ຄ11. ການນໍາໃຊ້ເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ຄ12. ສະຫລຸບ

ຄ13. ຄໍາຖາມທີ່ຖາມເລື້ອຍໆ [FAQ]

ພື້ນຖານ ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS

Complementary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) ເປັນເຕັກໂນໂລຊີຫຼັກທີ່ໃຊ້ໃນການສ້າງຫມວດປະກອບທີ່ທັນສະໄຫມ. ມັນ ໃຊ້ transistor ສອງ ຊະນິດ, NMOS (n-channel MOSFET) ແລະ PMOS (p-channel MOSFET), ຖືກ ຈັດ ຂຶ້ນ ເພື່ອ ວ່າ ເມື່ອ ຫນຶ່ງ ເປີດ, ອີກ ຢ່າງ ຫນຶ່ງ ຈະ ປິດ. ການ ກະທໍາ ຕື່ມ ອີກ ນີ້ ຈະ ຊ່ອຍ ຫລຸດຜ່ອນ ພະລັງ ທີ່ ເສຍ ໄປ ໃນ ລະຫວ່າງ ການ ດໍາເນີນ ງານ ຕາມ ປົກກະຕິ.

CMOS ເຮັດ ໃຫ້ ມັນ ເປັນ ໄປ ໄດ້ ທີ່ ຈະ ວາງ transistor ຈໍານວນ ຫລວງຫລາຍ ໃສ່ ຊິ້ນ silicon ນ້ອຍໆ ໃນ ຂະນະ ທີ່ ຮັກສາ ການ ໃຊ້ ພະລັງ ແລະ ຄວາມ ຮ້ອນ ໃຫ້ ຢູ່ ໃນ ລະດັບ ທີ່ ສາມາດ ຄວບ ຄຸມ ໄດ້. ດ້ວຍເຫດນີ້, ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS ຈຶ່ງຖືກນໍາໃຊ້ໃນຫມວດ digital, analog ແລະ mixed-signal ໃນລະບົບເອເລັກໂຕຣນິກທີ່ທັນສະໄຫມ, ຈາກໂປຣແກຣມ ແລະ ຄວາມຊົງຈໍາ ຈົນເຖິງ sensor ແລະ wireless chips.

ອຸປະກອນ MOSFET ເປັນຫຼັກຂອງເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ໃນເຕັກໂນໂລຊີ CMOS, MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) ເປັນເຄື່ອງປ່ຽນແປງເອເລັກໂຕຣນິກພື້ນຖານ. ມັນຖືກສ້າງຂຶ້ນເທິງ silicon wafer ແລະ ມີສີ່ສ່ວນຫຼັກຄື: ແຫຼ່ງ, ລະບາຍ, ປະຕູ ແລະ ຊ່ອງທາງລະຫວ່າງແຫຼ່ງແລະລະບາຍ. ປະຕູນີ້ຕັ້ງຢູ່ເທິງຊັ້ນປ້ອງກັນບາງໆທີ່ເອີ້ນວ່າປະຕູອົກຊີແຊນເຊິ່ງແຍກມັນອອກຈາກຊ່ອງ.

ເມື່ອໃຊ້แรงดันໃສ່ປະຕູ, ມັນຈະປ່ຽນປະໂຫຍດໃນຊ່ອງ. ສິ່ງນີ້ອະນຸຍາດໃຫ້ກະແສໄຟຟ້າໄຫຼລະຫວ່າງແຫຼ່ງແລະລະບາຍນ້ໍາ ຫຼືຢຸດມັນ. ໃນ transistor NMOS, ກະແສຖືກນໍາໄປໂດຍເອເລັກໂຕຣອນ. ໃນ transistor PMOS, ກະ ແສ ຖືກ ນໍາ ໄປ ໂດຍ ຮູ. ໂດຍ ການ ສ້າງ transistor NMOS ແລະ PMOS ໃນ ພາກ ຕ່າງໆ ທີ່ ເອີ້ນ ວ່າ ນ້ໍາສ້າງ, ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS ສາມາດ ວາງ transistor ທັງ ສອງ ຊະນິດ ໄວ້ ໃນ chip ດຽວ ກັນ.

CMOS Logic Operation ໃນຫມວດ Digital

• CMOS logic ໃຊ້ຄູ່ຂອງ NMOS ແລະ PMOS transistor ເພື່ອສ້າງປະຕູ logic ພື້ນຖານ.

• ປະຕູ CMOS ທີ່ງ່າຍທີ່ສຸດແມ່ນ inverter ເຊິ່ງປ່ຽນສັນຍານ: ເມື່ອอินพุตເປັນ 0 ຜົນອອກແມ່ນ 1; ເມື່ອอินพุตເປັນ 1, ຜົນອອກແມ່ນ 0.

• ໃນ CMOS inverter, PMOS transistor ເຊື່ອມຕໍ່ຜົນອອກກັບແຫຼ່ງບວກເມື່ອอินพุตຕໍ່າ.

• NMOS transistor ເຊື່ອມຕໍ່ຜົນອອກກັບພື້ນດິນເມື່ອอินพุตສູງ.

• ໃນ ການ ດໍາ ເນີນ ງານ ທໍາ ມະ ດາ, ມີ ພຽງ ແຕ່ ເສັ້ນ ທາງ ດຽວ ເທົ່າ ນັ້ນ (ບໍ່ ວ່າ ຈະ ໄປ ຫາ ແຫລ່ງ ຫລື ໄປ ຫາ ພື້ນ ດິນ) ໃນ ເວ ລາ ດຽວ ກັນ, ສະ ນັ້ນ ການ ໃຊ້ ພະ ລັງ ທີ່ ບໍ່ ມີ ປະ ໂຫຍດ ຈະ ຄົງ ຢູ່ ໃນ ລະ ດັບ ທີ່ ຕ່ໍາ ຫລາຍ.

• ປະຕູ CMOS ທີ່ສະຫຼັບຊັບຊ້ອນເຊັ່ນ NAND ແລະ NOR ຖືກສ້າງຂຶ້ນໂດຍການເຊື່ອມຕໍ່ transistor NMOS ແລະ PMOS ຫຼາຍໆຢ່າງໃນຊຸດແລະຄຽງຄູ່ກັນ.

CMOS vs NMOS vs TTL: ການປຽບທຽບຄອບຄົວ Logic

ຂະບວນການຜະລິດ CMOS Chip

• ເລີ່ມຕົ້ນດ້ວຍ silicon wafer ທີ່ສະອາດ ແລະ ມີຄຸນນະພາບສູງເປັນພື້ນຖານສໍາລັບ chip CMOS.

• ສ້າງ ເຂດ n-well ແລະ p-well ບ່ອນ ທີ່ ຈະ ສ້າງ transistor NMOS ແລະ PMOS.

• ປູກ ຫຼື ວາງຊັ້ນອົກຊີແຊນບາງໆໄວ້ເທິງຜິວຫນ້າຂອງ wafer.

• ວາງແລະສ້າງແບບແຜນຂອງວັດຖຸປະຕູເພື່ອສ້າງປະຕູ transistor.

• ເອົາ dopants ທີ່ ຖືກຕ້ອງ ສໍາລັບ NMOS ແລະ PMOS transistor ໃສ່ ເຂດ ແຫລ່ງ ແລະ ລະບາຍ ນ້ໍາ.

• ສ້າງໂຄງສ້າງທີ່ແຍກຢູ່ຕ່າງຫາກເພື່ອບໍ່ໃຫ້ transistor ທີ່ຢູ່ໃກ້ໆມີຜົນກະທົບຕໍ່ກັນ.

• ວາງຊັ້ນฉนวนແລະຊັ້ນໂລຫະເພື່ອເຊື່ອມຕໍ່ transistor ເຂົ້າກັບຫມວດທີ່ເຮັດວຽກ.

• ຕື່ມ ຊັ້ນ ໂລຫະ ແລະ ສາຍ ເລັກ ນ້ອຍ ທີ່ ເອີ້ນ ວ່າ vias ເພື່ອ ສົ່ງ ສັນຍານ ຜ່ານ chip.

• ສໍາເລັດດ້ວຍຊັ້ນ passivation ທີ່ປົກປ້ອງ, ຈາກນັ້ນຕັດ wafer ເປັນຊິບທີ່ແຍກກັນ, ຫໍ່ຫໍ່ ແລະ ທົດສອບ.

ການຂະຫຍາຍເຕັກໂນໂລຊີໃນ CMOS

ເມື່ອ ເວລາ ຜ່ານ ໄປ, ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS ໄດ້ ຍ້າຍ ຈາກ ລັກສະນະ ທີ່ ມີ ຂະຫນາດ ນ້ອຍໆ ລົງ ໄປ ສູ່ ລັກສະນະ ທີ່ ມີ ຂະຫນາດ ນາໂນ ແມັດ. ເມື່ອ transistor ນ້ອຍ ລົງ, ມັນ ຈະ ສາມາດ ໃສ່ ໃນ ພື້ນ ທີ່ chip ດຽວ ກັນ. transistor ທີ່ນ້ອຍກວ່າຍັງສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ໄວຂຶ້ນແລະຫຼາຍຄັ້ງສາມາດແລ່ນໃນแรงดันທີ່ຕ່ໍາກວ່າ, ຊຶ່ງຈະປັບປຸງປະສິດທິພາບໃນຂະນະທີ່ຫລຸດຜ່ອນພະລັງງານຕໍ່ການດໍາເນີນງານ. ແຕ່ການຫລຸດຈໍານວນອຸປະກອນ CMOS ກໍນໍາເອົາຂໍ້ທ້າທາຍມາໃຫ້:

• transistor ນ້ອຍໆສາມາດປ່ອຍກະແສໄຟຟ້າໄດ້ຫຼາຍຂຶ້ນ, ເພີ່ມພະລັງລໍຖ້າ.

• ຜົນກະທົບຂອງຊ່ອງສັ້ນໆເຮັດໃຫ້ transistor ຄວບຄຸມໄດ້ຍາກຂຶ້ນ.

• ການປ່ຽນແປງຂອງຂະບວນການເຮັດໃຫ້พารามิเตอร์ transistor ແຕກຕ່າງກັນຫຼາຍຂຶ້ນຈາກອຸປະກອນຫນຶ່ງໄປອີກອຸປະກອນຫນຶ່ງ.

ເພື່ອຮັບມືກັບບັນຫາເຫຼົ່ານີ້, ໂຄງສ້າງ transistor ໃຫມ່ໆເຊັ່ນ FinFETs ແລະ gate-all-around devices ຖືກນໍາໃຊ້, ພ້ອມດ້ວຍຂັ້ນຕອນຂະບວນການທີ່ກ້າວຫນ້າກວ່າ ແລະ ກົດການອອກແບບທີ່ເຄັ່ງຄັດກວ່າໃນເຕັກໂນໂລຊີ CMOS ທີ່ທັນສະໄຫມ.

ປະເພດຂອງການໃຊ້ພະລັງງານໃນຫມວດ CMOS

ກົນໄກຄວາມລົ້ມເຫລວໃນເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ອຸປະກອນ CMOS ສາມາດລົ້ມລະລາຍໄດ້ຍ້ອນການຕິດ, ຄວາມເສຍຫາຍ ESD, ຄວາມເຖົ້າແກ່ໃນໄລຍະຍາວ ແລະ ການຂາດການເຊື່ອມຕໍ່ລະຫວ່າງໂລຫະ. Latch-up ເກີດຂຶ້ນເມື່ອເສັ້ນທາງ PNPN ຂອງກາຝາກພາຍໃນ chip ເປີດແລະສ້າງການເຊື່ອມຕໍ່ຄວາມຕ້ານທານຕໍ່າລະຫວ່າງ VCC ແລະ ພື້ນດິນ; ການຕິດຕໍ່ນໍ້າສ້າງທີ່ແຂງແຮງ, ແຫວນປ້ອງກັນ, ແລະ ຊ່ອງຫວ່າງແບບແຜນທີ່ພຽງພໍຈະຊ່ວຍຢັບຢັ້ງມັນໄດ້. ESD (electrostatic discharge) ສາມາດເຈາະຜ່ານອົກຊີແຊນປະຕູບາງໆແລະຈຸດເຊື່ອມຕໍ່ເມື່ອแรงดันສູງກະທົບໃສ່ເຂັມ, ດັ່ງນັ້ນ I / O pads ຕາມປົກກະຕິແລ້ວຈະມີ clamps ສະເພາະແລະເຄືອຂ່າຍການປົກປ້ອງທີ່ອີງໃສ່ diode. ເມື່ອ ເວລາ ຜ່ານ ໄປ, BTI ແລະ hot-carrier injection ປ່ຽນ parameter transistor, ແລະ ຄວາມ ຫນາ ແຫນ້ນ ຂອງ ກະ ແສ ທີ່ ເກີນ ໄປ ສາມາດ ກໍ່ ໃຫ້ ເກີດ ການ ເຄື່ອນ ຍ້າຍ ທາງ ອີ ເລັກ ທຣອນ ນິກ ທີ່ ເຮັດ ໃຫ້ ເສັ້ນ ໂລຫະ ອ່ອນ ແອ ຫລື ຫັກ.

Digital Building Blocks ໃນ ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS

• ປະຕູ logic ພື້ນຖານເຊັ່ນ inverters, NAND, NOR ແລະ XOR ຖືກສ້າງຈາກ CMOS transistor.

• ສ່ວນ ປະກອບ ທີ່ ຕິດ ຕໍ່ ກັນ ດັ່ງ ເຊັ່ນ ລ໊ອກ ແລະ ເກີບ ຈັບ ແລະ ປັບປຸງ ຂໍ້ ມູນ ໃນ ຄອມ ພິວ ເຕີ.

• block ເສັ້ນທາງຂໍ້ມູນລວມທັງ adders, multiplexers, shifters ແລະ counters ຖືກສ້າງຂຶ້ນໂດຍການລວມປະຕູ CMOS ຫຼາຍໆປະຕູ.

• block ຄວາມ ຊົງ ຈໍາ ດັ່ງ ເຊັ່ນ ຈຸລັງ SRAM ຖືກ ຈັດ ກຸ່ມ ເປັນ array ສໍາລັບ ການ ເກັບ ກໍາ ຂໍ້ ມູນ ນ້ອຍໆ ໃນ chip.

• ຈຸລັງມາດຕະຖານແມ່ນໂປຣແກຣມ CMOS ທີ່ອອກແບບມາກ່ອນເຊິ່ງເຄື່ອງມື digital ຈະໃຊ້ຄືນອີກໃນຊິບ.

• ລະບົບຄອມພິວເຕີຂະຫນາດໃຫຍ່ ລວມທັງ CPU, ຄວບຄຸມ ແລະ ເຄື່ອງເລັ່ງໄວ, ຖືກສ້າງຂຶ້ນໂດຍການເຊື່ອມໂຍງຈຸລັງມາດຕະຖານ ແລະ block ຄວາມຊົງຈໍາເຂົ້າກັນໃນເຕັກໂນໂລຊີ CMOS.

ຫມວດ Analog ແລະ RF ໃນເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ເທັກ ໂນ ໂລ ຈີ CMOS ບໍ່ ຈໍາ ກັດ ພຽງ ແຕ່ logic digital ເທົ່າ ນັ້ນ. ມັນຍັງສາມາດໃຊ້ເພື່ອສ້າງຫມວດ analog ທີ່ເຮັດວຽກກັບສັນຍານທີ່ຕໍ່ເນື່ອງ:

• Blocks ເຊັ່ນ amplifiers, comparators ແລະ voltage ອ້າງອີງແມ່ນເຮັດຈາກ CMOS transistor ແລະ passive components.

• ຫມວດເຫຼົ່ານີ້ຊ່ວຍຮັບຮູ້, ຮູບຮ່າງ ແລະ ຄວບຄຸມສັນຍານກ່ອນຫຼືຫຼັງຈາກຂະບວນການທາງດ້ານຄອມພິວເຕີ.

CMOS ຍັງສາມາດສະຫນັບສະຫນູນຫມວດ RF (radio frequency):

• Low-noise amplifiers, mixers ແລະ oscillator ສາມາດນໍາໃຊ້ໄດ້ໃນຂະບວນການ CMOS ແບບດຽວກັນທີ່ໃຊ້ສໍາລັບ digital logic.

• ເມື່ອໂປຣແກຣມ, RF ແລະ digital ຖືກລວມເຂົ້າກັນໃນຊິບດຽວ, ເທັກໂນໂລຊີ CMOS ເຮັດໃຫ້ມີການແກ້ໄຂສັນຍານປະສົມ ຫຼື RF system-on-chip ທີ່ຈັດການກັບທັງການຈັດການສັນຍານ ແລະ ການສື່ສານໃນດາຍດຽວ.

ການນໍາໃຊ້ເຕັກໂນໂລຊີ CMOS

ການສະຫລຸບ

CMOS ສະຫນັບສະຫນູນຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງ transistor ສູງ, ພະລັງສະຖິຕິຕໍ່າ ແລະ ການປ່ຽນແປງໄວໃນຫມວດປະກອບທີ່ທັນສະໄຫມ. ມັນ ສ້າງ ປະຕູ logic, block ຄວາມ ຊົງ ຈໍາ ແລະ ລະບົບ digital ໃຫຍ່, ໃນ ຂະນະ ທີ່ ສະຫນັບສະຫນູນ ຫມວດ analog ແລະ RF ໃນ chip ດຽວ ກັນ. ຂະນະທີ່ການຂະຫຍາຍຕົວຍັງດໍາເນີນຕໍ່ໄປ, ການລົ້ມລະລາຍ, ຜົນກະທົບຂອງຊ່ອງທາງສັ້ນໆ ແລະ ການປ່ຽນແປງຂອງອຸປະກອນຈະເພີ່ມຂຶ້ນ, ດັ່ງນັ້ນ ໂຄງສ້າງໃຫມ່ໆເຊັ່ນ FinFETs ແລະ gate-all-around ຈຶ່ງຖືກນໍາໃຊ້.

ຄໍາຖາມທີ່ຖາມເລື້ອຍໆ [FAQ]

ຄວາມແຕກຕ່າງລະຫວ່າງ n-well, p-well ແລະ twin-well CMOS ແມ່ນຫຍັງ?

n-well ສ້າງ PMOS ໃນ n-wells, p-well ສ້າງ NMOS ໃນ p-wells, ແລະ twin-well ໃຊ້ທັງສອງເພື່ອຄວບຄຸມພຶດຕິກໍາ transistor ທີ່ດີກວ່າ.

ເປັນຫຍັງຊິບ CMOS ຈຶ່ງໃຊ້ຫຼາຍຊັ້ນໂລຫະ?

ເພື່ອເຊື່ອມຕໍ່ສັນຍານຫຼາຍຂຶ້ນ, ຫລຸດຜ່ອນຄວາມອັດສະຈັນຂອງເສັ້ນທາງ ແລະ ປັບປຸງປະສິດທິພາບຂອງສາຍໄຟຟ້າຂ້າມຊິບ.

ຜົນກະທົບຂອງຮ່າງກາຍໃນ CMOS transistor ແມ່ນຫຍັງ?

ມັນ ເປັນ ການ ປ່ຽນ ແປງ ຂອງ volt ຂອບ ເຂດ ທີ່ ເກີດ ຈາກ ຄວາມ ແຕກ ຕ່າງ ຂອງ voltage ລະຫວ່າງ ແຫລ່ງ ແລະ ຮ່າງກາຍ ຂອງ transistor.

decoupling capacitors ໃນ CMOS chips ແມ່ນຫຍັງ?

ມັນເຮັດໃຫ້ໄຟຟ້າມີຄວາມຫມັ້ນຄົງໂດຍການຫລຸດแรงดันແລະສຽງດັງໃນລະຫວ່າງການປ່ຽນແປງ.

ເປັນຫຍັງ CMOS ຈຶ່ງຈໍາເປັນຕ້ອງມີແຫວນປ້ອງກັນແລະປ້ອງກັນ?

ເພື່ອຫລຸດຜ່ອນການຕິດຕໍ່ສຽງດັງແລະປ້ອງກັນການແຊກແຊງລະຫວ່າງພື້ນທີ່ທີ່ມີຄວາມຮູ້ສຶກໄວແລະສຽງດັງ.

SRAM ແຕກຕ່າງຈາກ DRAM ແລະ flash ໃນ CMOS ແນວໃດ?

SRAM ໄວແຕ່ມີຂະຫນາດໃຫຍ່ກວ່າ, DRAM ຫນາແຫນ້ນກວ່າ ແຕ່ຕ້ອງການການຟື້ນຟູ ແລະ flash ເກັບຂໍ້ມູນໄວ້ເຖິງແມ່ນວ່າບໍ່ມີໄຟຟ້າ.