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互补式金属氧化物半导体

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静态互补式金属氧化物半导体反相器
静态互补式金属氧化物半导体反相器

互补式金属氧化物半导体(英语:Complementary Metal-Oxide-Semiconductor缩写CMOS;简称互补式金氧半导体),是一种集成电路的设计工艺,可以在硅质晶圆模板上制出NMOS(n-type MOSFET)和PMOS(p-type MOSFET)的基本元件,由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性,因此被称为CMOS。此一般的工艺上,可用来制作电脑电器的静态随机存取内存微控制器微处理器与其他数字逻辑电路系统、以及除此之外比较特别的技术特性,使它可以用于光学仪器上,例如互补式金氧半图像传感装置在一些高级数码相机中变得很常见。

互补式金属氧化物半导体具有只有在晶体管需要切换启动与关闭时才需消耗能量的优点,因此非常节省电力且发热量少,且工艺上也是最基础而最常用的半导体元件。早期的只读存储器主要就是以这种电路制作的,由于当时电脑系统的BIOS程序和参数信息都保存在ROM和SRAM中,以致在很多情况下,当人们提到“CMOS”时,实际上指的是电脑系统之中的BIOS单元,而一般的“CMOS设置”就是意指在设定BIOS的内容。

单一CMOS晶体管的剖面结构
单一CMOS晶体管的剖面结构

简介

所谓的“金属-氧化层-半导体”事实上是反映早期场效晶体管的栅极(gate electrode)是由一层金属覆盖在一层绝缘体材料(如二氧化硅)所形成,工作时透过电场将沟道反转,形成通路,作为简单的开关。今日的金属氧化物半导体场效应管元件多已采用多晶硅作为其栅极的材料,但即使如此,“金氧半”(MOS)仍然被用在现在的元件与工艺名称当中。

在今日,当CMOS被使用来作数字影像器材的感光元件使用,称有源像素感测器(Active Pixel Sensor), 例如高分辨率数字摄影机与数码相机,尤其是片幅规格较大的数码单反相机更常见到CMOS的应用, 另外消费型数码相机及附有照相功能的手机亦开始使用堆叠式有源像素感测器(Stacked CMOS,也有人译为积层式有源像素感测器或堆栈式有源像素感测器) 或背面照射式有源像素感测器(BSI CMOS),使成像质量得以提升。 跟传统的电荷耦合元件(CCD)相比,由于CMOS每粒像素都设有放大器,所以数据传输速度很高。 虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同, 但基本上它仍然是采取CMOS的工艺,只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能,再透过芯片上的数字─模拟转换器(ADC)将获得的影像信号转变为数字信号输出。

CMOSens:微机电(MEMS)的感应元件和CMOS的信号处理电路整合在单一芯片。

发展历史

1963年,快捷半导体的Frank Wanlass发明了互补式金属氧化物半导体电路。到了1968年,美国无线电公司一个由亚伯·梅德温(Albert Medwin)领导的研究团队成功研发出第一个互补式金属氧化物半导体集成电路。早期的CMOS元件虽然功率消耗比常见的晶体管-晶体管逻辑电路要来得低,但是因为操作速度较慢的缘故,所以大多数应用互补式金属氧化物半导体的场合都和降低功耗、延长电池使用时间有关,例如电子表。不过经过长期的研究与改良,今日的互补式金属氧化物半导体元件无论在使用的面积、操作的速度、耗损的功率,以及制造的成本上都比另外一种主流的半导体工艺BJT(Bipolar Junction Transistor,双载流子晶体管)要有优势,很多在BJT无法实现或是实作成本太高的设计,利用互补式金属氧化物半导体皆可顺利的完成。只要有任何开发进入到半导体的工艺,往往都可以压低成本。

早期分离式互补式金属氧化物半导体逻辑元件只有“4000系列”一种(RCA 'COS/MOS'工艺),到了后来的“7400系列”时,很多逻辑芯片已经可以利用互补式金属氧化物半导体、NMOS,甚至是BiCMOS(双载流子互补式金氧半)工艺实现。

早期的互补式金属氧化物半导体元件和主要的竞争对手BJT相比,很容易受到静电放电的破坏。而新一代的互补式金属氧化物半导体芯片多半在输出入接脚(I/O pin)和电源及接地端具备ESD保护电路,以避免内部电路元件的栅极或是元件中的PN结被ESD引起的大量电流烧毁。不过大多数芯片制造商仍然会特别警告使用者尽量使用防静电的措施来避免超过ESD保护电路能处理的能量破坏半导体元件,例如安装内存模组到个人电脑上时,通常会建议使用者配戴防静电手环之类的设备。

此外,早期的互补式金属氧化物半导体逻辑元件(如4000系列)的操作范围可由3伏特至18伏特的直流电压,所以互补式金属氧化物半导体元件的栅极使用做为材料。而多年来大多数使用互补式金属氧化物半导体制造的逻辑芯片也多半在TTL标准规格的5伏特底下操作,直到1990年后,有越来越多低功耗的需求与信号规格出现,取代了虽然有着较简单的信号接口、但是功耗与速度跟不上时代需求的TTL。此外,随着MOSFET元件的尺寸越做越小,栅极氧化层的厚度越来越薄,所能承受的栅极电压也越来越低,有些最新的互补式金属氧化物半导体工艺甚至已经出现低于1伏特的操作电压。这些改变不但让CMOS芯片更进一步降低功率消耗,也让元件的性能越来越好。

近代的互补式金属氧化物半导体栅极多半使用多晶硅制作。和金属栅极比起来,多晶硅的优点在于对温度的忍受范围较大,使得制造过程中,离子布值(ion implantation)后的退火工艺能更加成功。此外,更可以让在定义栅极区域时使用自我校准(self-align)的方式(不需要额外的光掩模可以省下成本),这能让栅极的面积缩小,进一步降低杂散电容(stray capacitance)。2004年后,又有一些新的研究开始使用金属栅极,不过大部分的工艺还是以多晶硅栅极为主。关于栅极结构的改良,还有很多研究集中在使用不同的栅极氧化层材料来取代二氧化硅,例如使用高介电系数介电材料(high-K dielectric),目的在于降低栅极漏电流(leakage current)。

BIOS的联系和区别

互补式金属氧化物半导体与BIOS的关系

BIOS IC是计算机上另一个重要的存储器,包含电脑开机时用于初始化硬件并载入操作系统的BIOS程序。之所以提到它,是因为互补式金属氧化物半导体中保存着BIOS程序的设定值。而且,互补式金属氧化物半导体中的BIOS设定资讯需要在BIOS程序引导计算机启动后才能载入。

与BIOS的区别

互补式金属氧化物半导体与BIOS IC都是存储器。二者区别是,互补式金属氧化物半导体为随机存储器,而BIOS IC早期为只读存储器,包含BIOS程序,后来的BIOS IC采用可擦写技术,最早的可擦写BIOS IC需要用烧录器更新,后来又出现了可用软件(如Award BIOS的AWDFLASH程序)更新BIOS的技术(但从UEFI开始,越来越多的PC OEM/主板制造商逐步只允许使用官方软件工具更新未被修改的BIOS档案,使用其他BIOS更新程序是不允许的);互补式金属氧化物半导体中存储的是BIOS设定资讯,而BIOS IC中存储的是BIOS程序。从UEFI开始,大部分UEFI已将设定值储存在NVRAM中。

技术细节

互补式金属氧化物半导体同时可指互补式金氧半元件及工艺。在同样的功能需求下,互补式金属氧化物半导体工艺所制造的集成电路享有功耗较低的优势,这也使得今日的集成电路产品大多是以互补式金属氧化物半导体制造。

相互竞争的技术

近年来,利用互补金氧半导体的工艺,已能制造实用的有源像素感测器(Active Pixel Sensor)。CMOS是所有硅芯片制作的主流技术,CMOS感光元件不但造价低廉,也能将信号处理电路整合在同一部装置上。后一特性有助于滤除背景噪声,因为CMOS比CCD更容易受噪声干扰。这部分的困扰现时已渐渐解决,这要归功于使用个别像素的低阶放大器取代用于整片CCD阵列的单一高阶放大器。CMOS感光元件跟CCD相比,耗电量较低,数据传输亦较快。于高分辨率数字摄影机与数码相机,尤其是片幅规格较大的数字单反相机更常见到CMOS的应用,另外消费型数码相机以及附有照相功能的手机亦开始使用背面照射式CMOS,使成像质量得以提升。CMOS于成像的技术日趋成熟下大幅普及,使CCD的占有率从2010年代起不断下降,全球最大的CCD生产商索尼更宣布于2017年停止生产CCD,但是高级相片扫描器以及军方器材仍然为CCD所垄断。

参考文献

延伸阅读

外部链接

参见

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