Что такое комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП)?
Комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП) — это полупроводниковая технология, используемая в большинстве современных интегральных схем (ИС), также известных как чипы или микрочипы. КМОП-транзисторы основаны на технологии металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов (MOSFET). МОП-транзисторы служат переключателями или усилителями, которые контролируют количество электричества, протекающего между клеммами истока и стока, в зависимости от величины приложенного напряжения.
МОП-транзисторы используют полупроводниковые материалы для проведения электричества при определенных условиях, но не при других. По проводимости полупроводник находится где-то между проводником и изолятором. Обычно он состоит из кремния и смеси примесей, которые вместе обеспечивают правильный баланс проводимости. Кремний в чистом виде не проводит ток.
Процесс добавления примесей в такой материал, как кремний, иногда называют легированием. Легирование полупроводников может применяться в различной степени для контроля проводимости. Однако на проводимость могут влиять и другие факторы, например тип используемых примесей.
В МОП-транзисторах примеси, используемые в полупроводниковом материале, зависят от типа полупроводника. Полупроводники MOSFET относятся к одной из двух категорий: p-типа или n-типа. Бор, галлий и индий обычно используются для полупроводников p-типа. Фосфор, мышьяк и висмут обычно используются для полупроводников n-типа.
Полупроводник p-типа, который заряжен положительно, проводит ток в виде дефектов электронов, называемых дырками. Дырка имеет положительный заряд, равный заряду электрона и противоположный ему. Электроны движутся в направлении, противоположном дыркам. Полупроводник n-типа заряжен отрицательно. В этом случае полупроводник проводит ток в виде отрицательно заряженных электронов.
Почему CMOS дополняет друг друга?
Существует два основных типа МОП-транзисторов: p-канальный МОП (PMOS) и n-канальный МОП (NMOS). В транзисторах PMOS и NMOS используются полупроводники p- и n-типа. В PMOS-транзисторе исток и сток используют полупроводник p-типа, а подложка — полупроводник n-типа. NMOS-транзистор использует противоположный подход. В истоке и стоке используется полупроводник n-типа, а в подложке — полупроводник p-типа.
До появления КМОП в электронных устройствах широко использовались PMOS и NMOS. NMOS в конечном итоге стал предпочтительным подходом к интегральным схемам, поскольку его производство было быстрее и дешевле, хотя и не было лишено своих ограничений, таких как статическое энергопотребление.
CMOS решила проблемы, присущие PMOS и NMOS, объединив оба типа в одной микросхеме, которая содержит симметричные (дополнительные) пары PMOS-NMOS. При совместном использовании два типа транзисторов обеспечивают большую гибкость при проектировании схем, одновременно снижая сложность и восприимчивость к электронному шуму.
Еще одним преимуществом дополнительных пар PMOS-NMOS является то, что они требуют меньше энергии. Это связано с тем, что ток кратковременно подается при переключении между состояниями включения и выключения. Фактически, КМОП-ИС практически не потребляют энергию в статических условиях. В более широком смысле, более низкое энергопотребление также означает, что микросхемы на основе КМОП выделяют меньше тепла по сравнению с микросхемами, основанными только на PMOS или NMOS.
Поскольку энергопотребление и выделение тепла являются двумя основными проблемами при разработке ИС, логика КМОП в настоящее время широко используется в микропроцессорах, микроконтроллерах, статической оперативной памяти, датчиках изображения и других ИС. Судя по всему, его использование будет продолжать доминировать в отрасли.