КМОП

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — технология построения электронных схем. В более общем случае — КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе процессоров, используют схемотехнику КМОП.

История

Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968. Долгое время КМОП рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ, поэтому микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах, калькуляторах и других устройствах с батарейным питанием, где энергопотребление было критичным.

К 1990 году с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеивания энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в выигрышном положении. Со временем были достигнуты скорость переключения и плотность монтажа недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах.

Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам. Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.

Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий. Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии, которая предусматривала использование затвора не только как конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний.

Технология

Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

• Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.
• Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.

В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень низкое. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

На рисунке с топологией микросхемы 2И-НЕ можно заметить, что в ней используются два двухзатворных полевых транзистора разных конструкций. Верхний двухзатворный полевой транзистор отвечает за формирование высокого уровня на выходе логического элемента, если любой из входов имеет низкий уровень, а нижний двухзатворный полевой транзистор отвечает за формирование низкого уровня на выходе, если оба входа имеют высокий уровень.

Следует отметить, что поскольку переключение n-канальных и p-канальных транзисторов имеет конечное время, на короткое время оба типа транзисторов оказываются открыты и между источником питания и землей возникает ток короткого замыкания. Это приводит к повышению энергопотребления.

Защита от статического электричества

Так как затворы МДП-транзисторов имеют большое входное сопротивление, электростатический разряд может привести к пробою затвора и выходу микросхемы из строя. Для защиты от статического электричества каждый вывод КМОП-микросхемы оснащают защитной схемой, в которую входят диоды с низким напряжением пробоя, соединяющие каждый вход с шинами питания.

Серии и семейства логических КМОП-микросхем

Серии и семейства логических КМОП-микросхем

• На КМОП-транзисторах (CMOS):
  • 4000 — CMOS с питанием от 3 до 15В, 200 нс;
  • 4000B — CMOS с питанием от 3 до 18В, 90 нс;
  • 74C — семейство в серии 7400, аналогичное 4000B;
  • 74HC — высокоскоростное CMOS, по скорости аналогично семействам LS, 12 нс;
  • 74HCT — высокоскоростное, совместимо по выходам с биполярными сериями;
  • 74AC — улучшенное CMOS, скорость в целом между семействами S и F;
  • 74ACT — улучшенное CMOS, совместимо по выходам с биполярными сериями;
  • 74AHC — улучшенное высокоскоростное CMOS, втрое быстрее HC;
  • 74AHCT — улучшенное высокоскоростное CMOS, совместимо по выходам с биполярными сериями;
  • 74ALVC — с низким напряжением питания (1,65 — 3,3В), время срабатывания 2 нс;
  • 74AUC — с низким напряжением питания (0,8 — 2,7В), время срабатывания < 1,9 нс при Vпит=1,8В;
  • 74FC — быстрое CMOS, скорость аналогична F;
  • 74FCT — быстрое CMOS, совместимо по выходам с биполярными сериями;
  • 74LCX — CMOS с питанием 3В и 5В-совместимыми входами;
  • 74LVC — с пониженным напряжением (1,65 — 3,3В) и 5В-совместимыми входами, время срабатывания < 5,5 нс при Vпит=3,3V, < 9 нс при Vпит=2,5В;
  • 74LVQ — с пониженным напряжением (3,3В);
  • 74LVX — с питанием 3,3В и 5В-совместимыми входами;
  • 74VHC — сверхвысокоскоростное CMOS-семейство — быстродействие сравнимо с S;
  • 74VHCT — сверхвысокоскоростное CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями;
  • 74G — супер-сверхвысокоскоростное для частот выше 1 ГГц, питание 1,65В — 3,3В, 5В-совместимые входы;
• BiCMOS
  • 74BCT — BiCMOS, TTL-совместимые входы, используется для буферов;
  • 74ABT — улучшенное BiCMOS-семейство, TTL-совместимые входы, быстрее ACT и BCT;

Для более гибкого применения у ряда производителей существуют также особые семейства, в которых каждая ИМС включает всего 1 логический элемент в 5..6-пиновом корпусе, что бывает полезно для конструкций с малым количеством разных элементов и минимальным размером платы (например: 74LVC1G00GW фирмы NXP; SOT353-1 Single 2-Input Positive-AND Gate)

Серии логических КМОП-микросхем производства СССР

• 164, 176 соответствуют серии 4000, но у 164 и 176 серий напряжение питания 5…12 В (номинальное значение 9 В);
• 561 и 564 — семейству 4000A из серии 4000;
• 1554 — семейству 74AC из серии 7400;
• 1561 — семейству 4000B;
• 1564 — семейству 74HC;
• 1594 — семейству 74ACT;
• 5564 — семейству 74HCT;
• 5584 — семейству 74VНС;
• 5514БЦ — серия логических микросхем на основе БМК. Предназначена для замены устаревших логических микросхем серий
  564 , 1564 и их зарубежных аналогов.

См. также

• КМОП-матрица
• SRAM (память)
• Логические элементы
• Микросхемы серии 4000
• Микросхемы серии 7400 сменили технологию с ТТЛ на КМОП

Литература

• Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 912. — ISBN 0-13-090996-3.
• Точчи, Рональд, Дж., Уидмер, Нил, С. Цифровые системы. Теория и практика = Digital Systems: Principles and Applications. — 8-е изд. — М.: «Вильямс», 2004. — С. 1024. — ISBN 5-8459-0586-9.
• [www.vicgain.ru/spmikro/sdspmikr.htm Микросхемы ТТЛ и КМОП. Справочник]
• [www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=48945 Микросхемы КМОП — идеальное семейство логических схем]. Оригинал: [www.rlocman.ru/i/File/2008/06/02/AN77_Ideal_logic_family.pdf CMOS, the Ideal Logic Family], Fairchild Semiconductor

Отрывок, характеризующий КМОП

– Нет, не понимаешь!
И Ростов встал и пошел бродить между костров, мечтая о том, какое было бы счастие умереть, не спасая жизнь (об этом он и не смел мечтать), а просто умереть в глазах государя. Он действительно был влюблен и в царя, и в славу русского оружия, и в надежду будущего торжества. И не он один испытывал это чувство в те памятные дни, предшествующие Аустерлицкому сражению: девять десятых людей русской армии в то время были влюблены, хотя и менее восторженно, в своего царя и в славу русского оружия.


На следующий день государь остановился в Вишау. Лейб медик Вилье несколько раз был призываем к нему. В главной квартире и в ближайших войсках распространилось известие, что государь был нездоров. Он ничего не ел и дурно спал эту ночь, как говорили приближенные. Причина этого нездоровья заключалась в сильном впечатлении, произведенном на чувствительную душу государя видом раненых и убитых.
На заре 17 го числа в Вишау был препровожден с аванпостов французский офицер, приехавший под парламентерским флагом, требуя свидания с русским императором. Офицер этот был Савари. Государь только что заснул, и потому Савари должен был дожидаться. В полдень он был допущен к государю и через час поехал вместе с князем Долгоруковым на аванпосты французской армии.
Как слышно было, цель присылки Савари состояла в предложении свидания императора Александра с Наполеоном. В личном свидании, к радости и гордости всей армии, было отказано, и вместо государя князь Долгоруков, победитель при Вишау, был отправлен вместе с Савари для переговоров с Наполеоном, ежели переговоры эти, против чаяния, имели целью действительное желание мира.
Ввечеру вернулся Долгоруков, прошел прямо к государю и долго пробыл у него наедине.
18 и 19 ноября войска прошли еще два перехода вперед, и неприятельские аванпосты после коротких перестрелок отступали. В высших сферах армии с полдня 19 го числа началось сильное хлопотливо возбужденное движение, продолжавшееся до утра следующего дня, 20 го ноября, в который дано было столь памятное Аустерлицкое сражение.
До полудня 19 числа движение, оживленные разговоры, беготня, посылки адъютантов ограничивались одной главной квартирой императоров; после полудня того же дня движение передалось в главную квартиру Кутузова и в штабы колонных начальников. Вечером через адъютантов разнеслось это движение по всем концам и частям армии, и в ночь с 19 на 20 поднялась с ночлегов, загудела говором и заколыхалась и тронулась громадным девятиверстным холстом 80 титысячная масса союзного войска.
Сосредоточенное движение, начавшееся поутру в главной квартире императоров и давшее толчок всему дальнейшему движению, было похоже на первое движение серединного колеса больших башенных часов. Медленно двинулось одно колесо, повернулось другое, третье, и всё быстрее и быстрее пошли вертеться колеса, блоки, шестерни, начали играть куранты, выскакивать фигуры, и мерно стали подвигаться стрелки, показывая результат движения.
Как в механизме часов, так и в механизме военного дела, так же неудержимо до последнего результата раз данное движение, и так же безучастно неподвижны, за момент до передачи движения, части механизма, до которых еще не дошло дело. Свистят на осях колеса, цепляясь зубьями, шипят от быстроты вертящиеся блоки, а соседнее колесо так же спокойно и неподвижно, как будто оно сотни лет готово простоять этою неподвижностью; но пришел момент – зацепил рычаг, и, покоряясь движению, трещит, поворачиваясь, колесо и сливается в одно действие, результат и цель которого ему непонятны.
Как в часах результат сложного движения бесчисленных различных колес и блоков есть только медленное и уравномеренное движение стрелки, указывающей время, так и результатом всех сложных человеческих движений этих 1000 русских и французов – всех страстей, желаний, раскаяний, унижений, страданий, порывов гордости, страха, восторга этих людей – был только проигрыш Аустерлицкого сражения, так называемого сражения трех императоров, т. е. медленное передвижение всемирно исторической стрелки на циферблате истории человечества.
Князь Андрей был в этот день дежурным и неотлучно при главнокомандующем.
В 6 м часу вечера Кутузов приехал в главную квартиру императоров и, недолго пробыв у государя, пошел к обер гофмаршалу графу Толстому.
Болконский воспользовался этим временем, чтобы зайти к Долгорукову узнать о подробностях дела. Князь Андрей чувствовал, что Кутузов чем то расстроен и недоволен, и что им недовольны в главной квартире, и что все лица императорской главной квартиры имеют с ним тон людей, знающих что то такое, чего другие не знают; и поэтому ему хотелось поговорить с Долгоруковым.
– Ну, здравствуйте, mon cher, – сказал Долгоруков, сидевший с Билибиным за чаем. – Праздник на завтра. Что ваш старик? не в духе?
– Не скажу, чтобы был не в духе, но ему, кажется, хотелось бы, чтоб его выслушали.
– Да его слушали на военном совете и будут слушать, когда он будет говорить дело; но медлить и ждать чего то теперь, когда Бонапарт боится более всего генерального сражения, – невозможно.
– Да вы его видели? – сказал князь Андрей. – Ну, что Бонапарт? Какое впечатление он произвел на вас?
– Да, видел и убедился, что он боится генерального сражения более всего на свете, – повторил Долгоруков, видимо, дорожа этим общим выводом, сделанным им из его свидания с Наполеоном. – Ежели бы он не боялся сражения, для чего бы ему было требовать этого свидания, вести переговоры и, главное, отступать, тогда как отступление так противно всей его методе ведения войны? Поверьте мне: он боится, боится генерального сражения, его час настал. Это я вам говорю.
– Но расскажите, как он, что? – еще спросил князь Андрей.
– Он человек в сером сюртуке, очень желавший, чтобы я ему говорил «ваше величество», но, к огорчению своему, не получивший от меня никакого титула. Вот это какой человек, и больше ничего, – отвечал Долгоруков, оглядываясь с улыбкой на Билибина.
– Несмотря на мое полное уважение к старому Кутузову, – продолжал он, – хороши мы были бы все, ожидая чего то и тем давая ему случай уйти или обмануть нас, тогда как теперь он верно в наших руках. Нет, не надобно забывать Суворова и его правила: не ставить себя в положение атакованного, а атаковать самому. Поверьте, на войне энергия молодых людей часто вернее указывает путь, чем вся опытность старых кунктаторов.
– Но в какой же позиции мы атакуем его? Я был на аванпостах нынче, и нельзя решить, где он именно стоит с главными силами, – сказал князь Андрей.
Ему хотелось высказать Долгорукову свой, составленный им, план атаки.
– Ах, это совершенно всё равно, – быстро заговорил Долгоруков, вставая и раскрывая карту на столе. – Все случаи предвидены: ежели он стоит у Брюнна…
И князь Долгоруков быстро и неясно рассказал план флангового движения Вейротера.
Князь Андрей стал возражать и доказывать свой план, который мог быть одинаково хорош с планом Вейротера, но имел тот недостаток, что план Вейротера уже был одобрен. Как только князь Андрей стал доказывать невыгоды того и выгоды своего, князь Долгоруков перестал его слушать и рассеянно смотрел не на карту, а на лицо князя Андрея.
– Впрочем, у Кутузова будет нынче военный совет: вы там можете всё это высказать, – сказал Долгоруков.
– Я это и сделаю, – сказал князь Андрей, отходя от карты.
– И о чем вы заботитесь, господа? – сказал Билибин, до сих пор с веселой улыбкой слушавший их разговор и теперь, видимо, собираясь пошутить. – Будет ли завтра победа или поражение, слава русского оружия застрахована. Кроме вашего Кутузова, нет ни одного русского начальника колонн. Начальники: Неrr general Wimpfen, le comte de Langeron, le prince de Lichtenstein, le prince de Hohenloe et enfin Prsch… prsch… et ainsi de suite, comme tous les noms polonais. [Вимпфен, граф Ланжерон, князь Лихтенштейн, Гогенлое и еще Пришпршипрш, как все польские имена.]