CMOS（互补金属-氧化物-半导体）是现代芯片的主要技术，因为它结合了NMOS和PMOS晶体管，以减少功耗浪费。它支持处理器、内存、传感器和无线设备的数字、模拟和混合信号电路。本文提供了关于CMOS运行、制造步骤、扩展、功耗、可靠性及应用的信息。
CMOS技术基础
互补金属氧化物半导体（CMOS）是构建现代集成电路的主要技术。它使用两种类型的晶体管，NMOS（n通道MOSFET）和PMOS（p通道MOSFET），排列方式使得当一个导通时，另一个关闭。这种互补措施有助于减少正常运行中的电力浪费。
CMOS使得在一小块硅片上安装大量晶体管成为可能，同时保持功耗和发热在可控水平。因此，CMOS技术被应用于许多现代电子系统的数字、模拟和混合信号电路中，从处理器、存储器到传感器和无线芯片。
MOSFET器件作为CMOS技术的核心
在CMOS技术中，MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是基本的电子开关。它构建在硅晶圆上，主要有四个部分：源极、极极以及源极和源极之间的通道。栅极位于一层非常薄的绝缘层上，称为栅极氧化层，将栅极与通道隔开。
当对栅极施加电压时，通道中的电荷会发生变化。这要么允许电流在源极和漏极之间流动，要么停止电流。在NMOS晶体管中，电流由电子携带。在PMOS晶体管中，电流通过孔承载。通过在不同区域形成称为井的NMOS和PMOS晶体管，CMOS技术可以将这两种晶体管放置在同一芯片上。
数字电路中的CMOS逻辑作
• CMOS逻辑使用NMOS和PMOS晶体管成对构建基本逻辑门。
• 最简单的CMOS门是反相器，它会反转信号：当输入为0时，输出为1;当输入为1时，输出为0。
• 在CMOS反相器中，PMOS晶体管在输入为低电平时将输出连接到正电源。
• NMOS晶体管在输入为高电平时将输出连接到地。
• 正常运行时，一次只有一条路径（通往电源或接地）通电，因此静态功率消耗保持非常低。
• 更复杂的CMOS门，如NAND和NOR，是通过串联和并联连接多个NMOS和PMOS晶体管实现的。
CMOS vs NMOS vs TTL：逻辑家族比较
| 特色 | CMOS | NMOS | TTL（双极性） |
|---|---|---|---|
| 静电（空闲） | 非常低 | 中等 | 高 |
| 动态动力 | 同一函数 | 更高 | 高速高 |
| 供电电压范围 | 在低电压下工作良好 | 更为有限 | 通常固定在5 V |
| 积分密度 | 非常高 | 下 | 与CMOS相比，低 |
| 现今典型用途 | 现代芯片的主要选择 | 主要是较老或特殊的电路 | 主要是较老或特殊的电路 |
CMOS芯片制造工艺
• 以干净、高质量的硅晶圆为基础，作为CMOS芯片的基础。
• 形成n阱和p阱区域，用于制造NMOS和PMOS晶体管。
• 在晶圆表面生长或沉积一层薄的栅极氧化层。
• 沉积并图案化栅极材料以形成晶体管栅极。
• 在源极和漏极区域植入适合NMOS和PMOS晶体管的正确掺杂剂。
• 构建隔离结构，使附近的晶体管之间不互相影响。
• 沉积绝缘层和金属层，将晶体管连接到工作电路中。
• 增加更多金属层和称为通孔的小型垂直链路，以在芯片上路由信号。
• 先以保护钝化层完成，然后将晶圆切割成独立芯片，封装并进行测试。
CMOS中的技术扩展
随着时间推移，CMOS技术已从微米级特征向纳米级特征发展。随着晶体管变小，能装进同一芯片面积的晶体管数量也更多。更小的晶体管也能更快切换，且通常能以较低的供电电压运行，这不仅提升了性能，还降低了每次作的功耗。但CMOS设备的缩小也带来了挑战：
• 非常小的晶体管可能会泄漏更多电流，从而增加待机功率。
• 短通道效应使晶体管更难控制。
• 工艺差异导致晶体管参数在不同器件间差异更大。
为解决这些问题，采用了更新的晶体管结构，如FinFET（环形晶体管）和环栅器件，同时采用更先进的工艺步骤和现代CMOS技术中更严格的设计规则。
CMOS电路中的功耗类型
| 能力类型 | 当它发生 | 主要原因 | 简单效应 |
|---|---|---|---|
| 动态动力 | 当信号在0和1之间切换时 | 微型电容器的充电和放电 | 随着切换和时钟的提升，频率会增加 |
| 短路电源 | 在门切换的短时间内 | NMOS和PMOS部分同时生效 | 变更时使用的额外功率 |
| 泄漏功率 | 即使信号没有切换 | 晶体管中流过的小电流 | 在非常小的尺寸下变得基本 |
CMOS技术中的失效机制
CMOS器件可能因锁存、静电损坏、长期老化和金属互连磨损而失效。锁存发生在芯片内部寄生的PNPN路径通电，并在VCC与地之间形成低阻抗连接;坚固的井口接触点、护圈和适当的布局间距有助于抑制其影响。当快速电压尖峰冲击引脚时，ESD（静电放电）可以穿透薄的栅极氧化层和结，因此I/O焊盘通常包含专用夹具和基于二极管的保护网络。随着时间推移，BTI和热载流子注入晶体管参数移位，以及过高的电流密度，都可能触发电迁移，从而削弱或断裂金属线路。
CMOS技术中的数字构建模块
• 基本逻辑门如反相器、NAND、NOR 和 XOR 均由 CMOS 晶体管构建。
• 锁扣和触发器等顺序元件用于存储和更新数字数据的比特。
• 数据路径块，包括加法器、复用器、移位器和计数器，是通过组合多个CMOS门形成的。
• 存储块如SRAM单元被分组成阵列，用于小型片上存储。
• 标准单元是预设计的CMOS逻辑模块，数字工具可在芯片上重复使用。
• 大型数字系统，包括CPU、控制器和定制加速器，通过在CMOS技术中将许多标准单元和内存块连接起来构建。
CMOS技术中的模拟与射频电路
CMOS技术并不限于数字逻辑。它也可以用于构建处理连续信号的模拟电路：
• 放大器、比较器和电压参考等模块由CMOS晶体管和无源元件制成。
• 这些电路帮助感知、塑造和控制信号，无论是在数字处理前还是后。
CMOS还可以支持射频（RF）电路：
• 低噪声放大器、混频器和振荡器可以在与数字逻辑相同的CMOS工艺中实现。
• 当模拟、射频和数字模块集成在同一芯片上时，CMOS技术使混合信号或射频系统单片解决方案成为可能，在单一芯片上同时处理信号处理和通信。
CMOS技术的应用
| 应用领域 | 主要CMOS职责 | 示例设备 |
|---|---|---|
| 处理器 | 数字逻辑与控制 | 应用处理器、微控制器 |
| 记忆 | 使用SRAM、闪存等技术的数据存储 | 缓存存储器，嵌入式闪存 |
| 图像传感器 | 有源像素阵列与读出电路 | 智能手机摄像头、摄像头 |
| 模拟接口 | 放大器、ADC和DAC | 传感器接口，音频编解码器 |
| 射频与无线 | 射频前端与本地振荡器 | Wi-Fi、蓝牙、蜂窝收发器 |
结论
CMOS支持现代集成电路中的高晶体管密度、低静态功耗和快速切换。它构建逻辑门、存储块和大型数字系统，同时支持同一芯片上的模拟和射频电路。随着扩展的推进，泄漏、短通道效应和器件变异增加，因此采用了更新的结构，如FinFET（环形场效应管）和全地门。
常见问题解答 [常见问题解答]
n阱、p阱和双阱CMOS有什么区别？
n阱在n阱中构建PMOS，p阱在p阱中构建NMOS，双阱则利用两者以更好地控制晶体管行为。
为什么CMOS芯片使用多层金属？
以连接更多信号，减少路由拥堵，并提升芯片内的布线效率。
CMOS 晶体管中的体效应是什么？
它是由于源与晶体管本体之间的电压差引起的阈值电压变化。
CMOS芯片中的解耦电容是什么？
它们通过减少开关时的电压降和噪声来稳定电源。
为什么CMOS需要屏蔽和防护环？
以减少噪声耦合，防止敏感和噪声电路区之间的干扰。
CMOS 中的 SRAM 与 DRAM 和闪存有何不同？
SRAM速度快但体积更大，DRAM密度更高但需要刷新，闪存即使没电也能保存数据。