تقنية CMOS: الأساسيات، التصنيع، التكبير، والتطبيقات

CMOS (المعدن-أكسيد المكمل-شبه الموصل) هي التقنية الرئيسية المستخدمة في الشرائح الحديثة لأنها تستخدم ترانزستورات NMOS وPMOS معا لتقليل استهلاك الطاقة. يدعم الدوائر الرقمية والتناظرية والمختلطة الإشارات في المعالجات والذاكرة وأجهزة الاستشعار والأجهزة اللاسلكية. توفر هذه المقالة معلومات حول تشغيل CMOS، خطوات التصنيع، التكبير، استهلاك الطاقة، الموثوقية، والتطبيقات.

أساسيات تقنية CMOS

التقنية التكميلية للمعدن–أكسيد وأشباه الموصلات (CMOS) هي التقنية الرئيسية المستخدمة لبناء الدوائر المتكاملة الحديثة. يستخدم نوعين من الترانزستورات، NMOS (MOSFET ذات قناة n) وPMOS (MOSFET قناة p)، مرتبة بحيث عندما يكون أحدهما مفعلا، يكون الآخر مطفأ. يساعد هذا الفعل التكميلي في تقليل هدر الطاقة أثناء التشغيل الطبيعي.

يتيح CMOS إمكانية وضع عدد كبير جدا من الترانزستورات على قطعة صغيرة من السيليكون مع الحفاظ على استهلاك الطاقة والحرارة عند مستويات قابلة للإدارة. وبسبب ذلك، تستخدم تقنية CMOS في الدوائر الرقمية والتناظرية والمختلطة الإشارات في العديد من الأنظمة الإلكترونية الحديثة، من المعالجات والذاكرة إلى الحساسات والشرائح اللاسلكية.

أجهزة MOSFET كجوهر تكنولوجيا CMOS

في تقنية CMOS، يعد المفتاح الإلكتروني الأساسي MOSFET (ترانزستور تأثير المجال المعدني–الأكسيد شبه الموصل). يبنى على رقاقة سيليكون ويتكون من أربعة أجزاء رئيسية: المصدر، المصرف، البوابة، والقناة بين المصدر والمصرف. تقع البوابة فوق طبقة عازلة رقيقة جدا تسمى أكسيد البوابة، والتي تفصلها عن القناة.

عندما يطبق جهد كهربائي على البوابة، يتغير الشحنة في القناة. هذا إما يسمح للتيار بالتدفق بين المصدر والصرف أو يوقفه. في ترانزستور NMOS، يحمل التيار بواسطة الإلكترونات. في ترانزستور PMOS، يحمل التيار عبر ثقوب. من خلال تشكيل ترانزستورات NMOS وPMOS في مناطق مختلفة تسمى الآبار، يمكن لتقنية CMOS وضع كلا النوعين من الترانزستورات على نفس الشريحة.

تشغيل منطق CMOS في الدوائر الرقمية

• يستخدم منطق CMOS أزواجا من ترانزستورات NMOS وPMOS لبناء بوابات منطقية أساسية.

• أبسط بوابة CMOS هي العاكس، التي تقلب الإشارة: عندما يكون الإدخال 0، يكون المخرج 1؛ عندما يكون المدخل 1، يكون الناتج 0.

• في عاكس CMOS، يربط ترانزستور PMOS الخرج بمصدر التيار الموجب عندما يكون الإدخال منخفضا.

• يربط ترانزستور NMOS المخرج بالأرض عندما يكون الإدخال مرتفعا.

• في التشغيل العادي، يكون هناك مسار واحد فقط (إما إلى المصدر أو إلى الأرض) في كل مرة، لذا يبقى استهلاك الطاقة الساكنة منخفضا جدا.

• يتم إنشاء بوابات CMOS أكثر تعقيدا، مثل NAND وNOR، عن طريق توصيل عدة ترانزستورات NMOS وPMOS على التوالي وبشكل متوازي.

CMOS مقابل NMOS مقابل TTL: مقارنة عائلة المنطق

عملية تصنيع شرائح CMOS

• ابدأ بشريحة سيليكون نظيفة وعالية الجودة كأساس لشريحة CMOS.

• تشكيل مناطق n-well وp-well حيث سيتم تصنيع ترانزستورات NMOS وPMOS.

• نمو أو ترسيب طبقة رقيقة من أكسيد البوابات على سطح الرقاقة.

• ترسيب وتشكيل مادة البوابة لإنشاء بوابات الترانزستور.

• زرع المناطق المصدر والتصريف بالمدمدات الصحيحة لترانزستورات NMOS وPMOS.

• بناء هياكل عزل بحيث لا تؤثر الترانزستورات القريبة على بعضها البعض.

• ترسيب طبقات عزل وطبقات معدنية لربط الترانزستورات في دوائر العمل.

• إضافة المزيد من طبقات المعدن وروابط رأسية صغيرة تسمى فياس لتوجيه الإشارات عبر الشريحة.

• الانتهاء بطبقات الحماية الحساسة، ثم قطع الرقائق إلى شرائح منفصلة، وتغليفها، واختبارها.

توسيع التكنولوجيا في CMOS

مع مرور الوقت، انتقلت تقنية CMOS من ميزات بحجم الميكرومتر إلى ميزات بحجم النانومتر. مع صغر حجم الترانزستورات، يمكن وضع المزيد منها على نفس مساحة الشريحة. يمكن للترانزستورات الصغيرة أيضا التبديل بشكل أسرع وغالبا ما تعمل بجهود تغذية أقل، مما يحسن الأداء مع تقليل الطاقة في كل عملية. لكن تقليص أجهزة CMOS يجلب أيضا تحديات:

• الترانزستورات الصغيرة جدا قد تتسرب المزيد من التيار، مما يزيد من طاقة الاستعداد.

• تجعل تأثيرات القناة القصيرة التحكم في الترانزستورات أصعب في التحكم.

• تتسبب اختلافات العمليات في تغير معلمات الترانزستور أكثر من جهاز لآخر.

لمعالجة هذه المشكلات، تستخدم هياكل ترانزستورات أحدث مثل FinFETs وأجهزة البوابة الشاملة، إلى جانب خطوات عملية أكثر تقدما وقواعد تصميم أكثر صرامة في تكنولوجيا CMOS الحديثة.

أنواع استهلاك الطاقة في دوائر CMOS

آليات الفشل في تكنولوجيا CMOS

يمكن أن تفشل أجهزة CMOS بسبب التثبيت، تلف ESD، التقدم في العمر طويل الأمد، وتآكلات التوصيلات المعدنية. يحدث التثبيت عندما تعمل مسارات PNPN الطفيلية داخل الشريحة وتنتج اتصالا منخفض المقاومة بين VCC والأرضي؛ تساعد الاتصالات القوية في الآبار، وحلقات الحماية، والتباعد المناسب في التخطيط في تقليل ذلك. يمكن للتفريغ الكهروستاتيكي (ESD) اختراق أكاسيد البوابات الرقيقة والوصلات عندما تصطدم الجهد السريع بالمدبابيس، لذا عادة ما تتضمن وسادات الإدخال/الإخراج مشابك مخصصة وشبكات حماية قائمة على الثنائيات. مع مرور الوقت، تؤدي معاملات التحويل في الترانزستور بواسطة BTI وحقن الحاملات الساخنة، وكثافة التيار الزائدة إلى تحفيز الهجرة الكهربائية التي تضعف أو تكسر خطوط المعادن.

اللبنات الرقمية في تكنولوجيا CMOS

• بوابات المنطق الأساسية مثل العاكسات وNAND وNOR وXOR تبنى من ترانزستورات CMOS.

• العناصر المتسلسلة مثل الأقفال والشباشب تحتفظ وتحديث أجزاء البيانات الرقمية.

• كتل مسار البيانات، بما في ذلك المجمعات، والمتبادلات، والمبدلات، والعدادات، تتشكل من خلال دمج العديد من بوابات CMOS.

• يتم تجميع كتل الذاكرة مثل خلايا SRAM في مصفوفات لتخزين صغير على الشريحة.

• الخلايا القياسية هي كتل منطقية CMOS مصممة مسبقا تعيد استخدام الأدوات الرقمية عبر الشريحة.

• يتم إنشاء الأنظمة الرقمية الكبيرة، بما في ذلك وحدات المعالجة المركزية، ووحدات التحكم، والمسرعات المخصصة، عن طريق ربط العديد من الخلايا القياسية وكتل الذاكرة معا في تقنية CMOS.

الدوائر التناظرية والراديوية في تقنية CMOS

تقنية CMOS ليست مقتصرة على المنطق الرقمي. يمكن أيضا استخدامه لبناء دوائر تناظرية تعمل مع الإشارات المستمرة:

• يتم تصنيع كتل مثل المضخمات، والمقارنات، ومراجع الجهد من ترانزستورات CMOS ومكونات سلبية.

• تساعد هذه الدوائر في الإحساس والتشكيل والتحكم في الإشارات قبل أو بعد المعالجة الرقمية.

يمكن لنظام CMOS أيضا دعم دوائر تردد الراديو (RF):

• يمكن تنفيذ مضخمات الصوت منخفضة الضوضاء والمزج والمذبذبات بنفس عملية CMOS المستخدمة في المنطق الرقمي.

• عندما يتم دمج الكتل التناظرية والراديوية والرقمية على شريحة واحدة، تتيح تقنية CMOS حلول نظام على شريحة مختلطة أو RF تتعامل مع معالجة الإشارات والاتصال على شريحة واحدة.

تطبيقات تقنية CMOS

الخاتمة

يدعم CMOS كثافة ترانزستورات عالية، وطاقة ثابتة منخفضة، وتبديل سريع في الدوائر المتكاملة الحديثة. يقوم ببناء بوابات منطقية، وكتل ذاكرة، وأنظمة رقمية كبيرة، مع دعم دوائر تناظرية وترددات راديوية على نفس الشريحة. مع استمرار التكبير، تزداد التسربات وتأثيرات القناة القصيرة وتنوع الأجهزة، لذا يتم استخدام هياكل أحدث مثل FinFETs وGate-all-around.

الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]

ما الفرق بين بئر n، وبئر p، وCMOS ذو البئر المزدوج؟

n-well يبني PMOS في n-wells، وp-well يبني NMOS في p-آبار، ويستخدم البئر المزدوج كلاهما للتحكم الأفضل في سلوك الترانزستورات.

لماذا تستخدم شرائح CMOS عدة طبقات معدنية؟

لتوصيل المزيد من الإشارات، وتقليل ازدحام التوجيه، وتحسين كفاءة الأسلاك عبر الشريحة.

ما هو تأثير الجسم في ترانزستور CMOS؟

وهو تغير في جهد العتبة ناتج عن فرق جهد بين المصدر وجسم الترانزستور.

ما هي مكثفات الفصل في شرائح CMOS؟

هي تثبت مصدر الطاقة عن طريق تقليل انخفاض الجهد والضوضاء أثناء التبديل.

لماذا يحتاج CMOS إلى دروع وحلقات حراسة؟

لتقليل اقتران الضوضاء ومنع التداخل بين المناطق الحساسة والدوائر المزعجة.

كيف يختلف SRAM عن DRAM وفلاش في CMOS؟

SRAM سريع لكنه أكبر حجما، وDRAM أكثر كثافة لكنه يحتاج إلى تحديث، والفلاش يحافظ على البيانات حتى بدون طاقة.