CMOS

Allikas: Vikipeedia
(Ümber suunatud leheküljelt Komplementaarne metall-oksiid-pooljuht)
CR2032 liitiumpatarei – kõige tüüpilisem CMOS-i toiteelement.

CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) ehk komplementaarne metall-oksiid-pooljuht on integraallülituste rühm ja tehnoloogia. CMOS tehnoloogiat kasutatakse mikroprotsessorites, mikrokontrollerites, SRAM moodulites ja teistes digitaallülitustes. Samuti kasutatakse seda analooglülitustes, näiteks transiiverites, valgustundliku pooljuhtelemendina veebi- ning digitaalsetes video- ja fotokaamerates. Frank Wanlass patenteeris CMOS-i 1967. aastal.

CMOS tehnoloogial põhinevates lülitustes on loogikaelemendid üles ehitatud komplementaar-sümmeetriliste transistoripaaride baasil (COS-MOS [1]). Transistoriteks on MOP-transistorite (MOSFET) (metall-oksiid-pooljuht väljatransistorite) paarid, kus üheks transistoriks on n-tüüpi MOP-transistor ja teiseks p-tüüpi MOP-transistor.

CMOS seadmete eelisteks on väike müratundlikkus, väga väike voolutarve – peamiselt tarbitakse voolu ainult siis kui transistoreid lülitatakse ümber, väike soojuseraldus (võrreldes näiteks transistor-transistor loogika ehk TTL-iga). CMOS loogikaelemente on võimalik paigutada kiipides väga tihedalt. See oli ka peamine põhjus, miks CMOS-ist sai kaheksakümnendatest alates enimkasutatud tehnoloogia VLSI tüüpi kiipide tootmisel.

CMOS tehnoloogia puuduseks on soojuseraldus ja energiatarve ümberlülitamise hetkel. Kui töösagedus väga kõrgeks läheb ja ümberlülitused hakkavad väga suure sagedusega toimuma, siis võib saabuda hetk, mil mõlemad komplementaarpaari transistorid on sisse lülitatud ning lühistavad lülituse (lühikeseks ajaks). Ka on metalloksiid-pooljuhid on väga tundlikud elektrostaatiliste laengute suhtes ja kui nendega ettevaatamatult ümber käia, võivad nad pöördumatult rikneda.

„Metal-oxide-semiconductor“ ehk metall-oksiid-pooljuht viitab teatud tüüpi väljatransistorite füüsilisele ehitusele – oksiidist isolaatori peale, mis asub pooljuhtiva aine pinnal, on asetatud paisu metallist elektrood. Algselt kasutati alumiiniumi, nüüdisajal aga kasutatakse poluräni. IBM ja Intel on öelnud, et suure dielektrilise konstandiga dielektrikute kasutusele võtmisega on tagasi kasutusele tulemas ka erinevast metallist paisud.[2]

Tehnilised andmed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mõiste „CMOS“ all ei mõelda mitte ainult teatud tüüpi digitaallülituste rühma, vaid selle alla kuuluvad kõik integraallülitused, millesse on lisatud seda tüüpi lülitus. CMOS kasutab vähem elektrivoolu kui ükski teine takistitega töötavatest loogikatehnoloogiatest. Kuna seda eelist on aja jooksul veel täiendatud ja elektrisäästlikkus on nii tehnoloogias kui ka ökonoomses mõttes üks põhikriteeriumeid, on integraallülituste tootmises CMOS tehnoloogia ja tema erinevad variandid domineerivaks saanud.[3] 2010. aasta seisuga on alates 1976. aastast igal aastal võimsuse järgi parima jõudlusega protsessorid põhinenud CMOS-i staatilisel loogikalülitusel.

Arvutites, telekommunikatsioonivahendites, signaalitöötlusseadetes jm kasutatavate loogikaventiilide ja muude digitaallülituste rajamiseks kasutatakse CMOS vooluringis p-tüüpi ja n-tüüpi metall-oksiid-pooljuht väljatransistoreid (MOP-transistor). Kuigi CMOS-i saab rakendada ka üksikutele vooluringielementidele, on tüüpilised CMOS tooted miljonitest ristkülikukujulisel ränitükil suurusjärgus 10–400 mm2 mõlemat tüüpi transistoritest koosnevad integraallülitused. Neid integraalskeeme nimetatakse kiipideks (chip)

CMOS analoogseadmetes[muuda | redigeeri lähteteksti]

Peale peamiselt digitaalseadmetes rakendamise, kasutatakse CMOS tehnoloogiat ka analoogseadmetes. Näiteks on olemas CMOS opvõimendi integraallülitused. Elektrirelee asemel on võimalik kasutada ülekandepaisu. CMOS tehnoloogiat kasutatskse sageli segasignaaliga (analoog ja digitaalne koos) seadmetes, mille tööpiirkond jääb raadiolainete ja mikrolainete sageduste vahele.

Töötemperatuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Konventsionaalsed CMOS seadmed töötavad vahemikus −55 °C kuni 125 °C. 2008. aasta augustis väideti, et teoreetiliselt suudab räniga CMOS töötada kuni -233 °C juures. [4] Funktsioneerimine -233 °C (40 K) juures on saavutatud ülekiirendatud AMD Phenom II protsessoritega, kasutades jahutusena vedelat lämmastikku ja vedelat heeliumit. [5]

Elektriskeemi põhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Peamine põhimõte, mis võimaldab CMOS vooluringides kasutada loogikaventiile, on p-tüüpi ja n-tüüpi metall-oksiid-pooljuht väljatransistorite kasutamine, et luua kas vooluallikast või maast teid väljundini. Lihtsustatud elektriring näeb välja selline, et sisendi ja väljundi vahel on takisti ja kui vooluringi juhtida vool, liigub see läbi takisti väljundini. Kui aga sisendi ja takisti vahepeale ühendada maa, siis kuna läbi takisti minemiseks peaks tegema rohkem tööd, liigub vool maasse. Sellises funktsioonis olevat takistit nimetatakse inglise keeles kas pull-down või pull-up takistiks. See võimaldabki teha loogikaarvutusi – kas takisti otstel on pinge või ei ole. Elektriringi lastakse vool ainult siis kui on vaja loogilist väärtust muuta ehk kui toimub ümberlülitumine, vahepealsel ajal seisab see jõude. Sellest tulenebki ka selle elektrisäästlikkus.

Inversioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Staatiline inverter

CMOS vooluringi ehitus näeb ette, et igal PMOP (p-tüüpi) transistoril on sisendiks kas vooluallikas või eelmine PMOP transistor. Samas aga peab igal NMOP (n-tüüpi) transistoril olema sisendiks eelmine NMOP transistor või ta peab olema ühendatud maaga. PMOP transistor on ehitatud selliselt, et kui paisule anda madal pinge, tekib lätte ja neelu vahele väike takistus. Vastupidiselt, kui anda paisule kõrgem pinge, tekib lätte ja neelu vahel suur takistus. NMOP transistor on ehitatud põhimõttega, et kui paisule anda madal pinge, tekib lätte ja neelu vahel suur takistus ning kui anda kõrge pinge, tekib väike takistus. CMOS vähendab voolu, ühendades iga NMOP-transistori PMOP-transistoriga ja ühendades mõlemad paisud ja neelud kokku. Kõrge pinge paisudel paneb NMOP-transistorid voolu juhtima ja muudab PMOP-transistorid mittejuhtivaks. Väike pinge paisudel tekitab vastupidise olukorra. Ümberlülitumise hetkel, kui pinge muutub, juhivad mõlemad MOP-transistorid elektrit. Selline korraldus aitab tunduvalt vähendada voolutarvet ja soojuse teket.

Paremal asuvalt jooniselt on näha, mis juhtub kui sisend on ühendatud nii PMOP transistori (ülemine osa) kui ka NMOP transistoriga (alumine osa). Kui sisendis A on madal pinge, siis NMOP transistori kanal on suure takistusega. Sellega on voolu võimalus Q kaudu maasse liikuda takistatud. PMOP transistori kanal on aga väikese takistusega, mistõttu saab elektrivool vabalt väljundisse liikuda. Kuna toitepinge ja Q vahel on väike takistus, siis pinge vähenemine toitepinge ja Q vahel on voolu juhtimise tõttu Q-st eemale ka väike. Seega registreeritakse väljundis kõrge pinge. Kui sisendis A on pinge kõrge, siis PMOP transistor on suure takistusega, mistõttu on positiivse laengu liikumine väljundini takistatud. Niikaua kuni NMOP transistor on väikese takistusega olekus, neeldub väljundvool maasse. Kuna takistus Q ja maa vahel on väike, siis ka pinge langus on voolu liikumise tõttu Q-sse väike. Väike muutus tingib selle, et väljundis registreeritakse madal pinge.

Lühidalt: PMOP ja NMOP transistorite väljundid on komplementaarsed – kui sisend on madalapingeline, siis väljund on kõrgepingeline ja vastupidi. Sellise sisendi ja väljundi vastandliku suhte tõttu on CMOS vooluringi väljund sisendi inversioon ehk vastand.

Kahesuunalisus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Üks CMOS lülituse tähtsatest omadustest on PMOP ja NMOP transistorite kahesuunalisus. CMOS vooluringis tehakse alati selline tee, mida mööda oleks võimalus väljundist kas toiteallikani või maani minna. Selle tingimus on, et teed vooluallikani ei tohi olla samaaegselt ka teed maani. Seda saab lihtsalt teha kui defineerida ühed teiste vastandväärtusena. De Morgani seadustel põhineva süsteemi loogika järgi on rööbiti paiknevatel PMOP transistoritel vastav NMOP transistorite jadapaigutus ja PMOP transistorite jadapaigutusele on vastav NMOP rööbiti paigutus.

Keerulisemad loogikaoperatsioonid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Konjunktsiooni eitusega CMOS loogikaventiil

Keerulisemate loogikaoperatsioonide nagu konjunktsiooni või disjunktsiooni tegemiseks on vaja ehitada vastavale loogikale oma lülitus. Kui vooluring koosneb kahest jadaühenduses olevast transistorist, siis mõlemal transistorisl peab olema väike takistus, et moodustuks tõene konjunktsioon. Kui vooluring koosneb kahest rööbiti ühendatud transistorist, siis peab vähemalt ühel olema väike takistus, et moodustuks tõene disjunktsioon.

Parempoolsel skeemil on näha konjunktsiooni eituse (NAND) loogikaventiili. Kui nii sisendi A kui ka B pinged on kõrged, siis mõlemad NMOP transistorid (skeemi alumine osa) on elektrit juhtivad, kumbki PMOP transistoritest (ülemine osa skeemist) aga ei juhi elektrit. Sellega moodustub elektriring väljundi ja Vss (maa) vahel, muutes väljundi pinge madalaks. Kui aga kasvõi üks sisendi A või B pingest on madal, siis ka üks NMOP transistoritest on mittejuhtivas olekus ja üks PMOP transistoritest juhib elektrit. Sellega moodustub elektriring väljundi ja Vdd (toiteallika) vahel, mis muudab väljundi pinge kõrgeks.

CMOS-i eelis NMOP-i ees on kiire väljundi ümbermuutumine kõrgeks või madalaks, kuna nn. pull-up transistoritel, erinevalt NMOP loogika koormustakistist, on juba sisse lülitades väike takistus. Lisaks võngub väljundi signaal pinge maksimum- ja miinimumväärtuste vahel. Selline tugev ja peaaegu sümmeetriline vastus muudab CMOS-i müra suhtes väga vastupidavaks.

Näide NAND loogikaventiilist[muuda | redigeeri lähteteksti]

NAND vooluringi füüsiline ehitus. Suuremad N-tüübi ja P-tüübi difusiooni alad on transistorite osad. Väiksemad nende kõrval on transformaatorid takistamaks kahjuliku türistoriga sarnase (latchup) vooluringe teket.

Parempoolsel joonisel on näide NAND ehk konjunktsiooni eituse seadmest. See on pealtvaade, kus on näha seadme erinevaid kihte, kus vooluring on ehitatud P-tüüpi alusele. Polüräni, difusiooni ja n-ümbrist (n-well) nimetatakse aluskihtideks ja need asetatakse süvenditesse p-tüüpi aluses. Läbi isoleeriva kihi on baaskiht kontaktidega ühenduses esimese metallist kihiga (metal 1).

NAND sisendid (rohelist värvi) on polüränist. CMOS transistorid (seadmed) moodustuvad polüräni ja difusiooni lõikumiskohas: N seadme jaoks N difusioon ja P seadme jaoks P difusioon (vastavalt roosat ja kollast värvi). Väljund („out“) on metalliga kokku ühendatud (sinakat värvi). Ühenduskohad metalli ja polüräni või difusiooni vahel on märgitud mustade ruutudega. See kompositsioon on eelmises punktis kirjeldatud NAND loogikaventiili skeemi füüsilise väljanägemine.

N seade ehitatakse P-tüüpi alusele. P seade ehitatakse n-ümbrisesse (n-well). P-tüüpi aluse transformaator on ühendatud Vss-ga ja N-tüüpi n-ümbrisega transformaator on ühendatud Vdd-ga, et ära hoida vooluringi muutumist seda kahjustavaks türistoriks (latchup).

Läbilõige kahest CMOS loogikaventiili n-ümbrisega transistorist‎

Vool: ümberlülitumine ja lekkevool[muuda | redigeeri lähteteksti]

CMOS kasutab tööks vähem voolu kui NMOP lülitused kuna CMOS-il kulub voolu ainult siis kui toimub ümberlülitumine. Keskmisel kaasaegsel eriintegraallülitusel võib kuluda väljundi muutmiseks 120 pikosekundit ning üks ümberlülitumine toimub iga 10 nanosekundi tagant. NMOP tarbib voolu alati kui väljundi pinge on madal, kuna seal toimub vooluring Vdd-st läbi koormustakisti ja n-tüüpi võrgu Vss-ini.

CMOS vooluring kulutab voolu laadides erineva mahtuvusega elemente (peamiselt paisud ja juhtmed, kuid on ka neid mida tühjendatakse) ümberlülitumise hetkel. Vooluringi läbinud laengu suurus on mahtuvuse ja pinge muudu korrutis. Korrutades selle ümberlülitumissagedusega saab kasutatud pinge suuruse ja võimsuse arvutamiseks tuleb saadu veelkord pingega läbi korrutada:  N = C V^2 f .

1990-ndatel ilmnes voolutarbimise juures uut tüüpi probleem – kui kiipide juhtmed olid muutumas peenemaks, siis sellega muutusid nad ka resistiivsemaks. Nende resistiivsete juhtmete tõttu muutus sisendi ülekanne CMOS loogikaventiilides aeglasemaks. Nende ülekannete kestel on nii NMOP kui ka PMOP võrgustikud osaliselt elektrit juhtivad, mistõttu liigub vool otse Vdd-st Vss-ini. Parema konstruktsiooniga, kus jälgitakse, et ei kasutataks vigaseid liigpeenikesi juhtmeid on suudetud see efekt kõrvaldada.

Nii NMOP kui ka PMOP transistoritel on paisupõhine lävipinge, alla mille langedes langeb seadet läbiv vool eksponentsiaalselt. Ajalooliselt on CMOS konstruktsioonid töötanud tunduvalt suuremate toitepingetega kui oli nende lävipinge (näiteks võis Vdd pinge olla 5 V samas kui lävipinge nii PMOP-ile kui ka NMOP-ile võis olla ainult 700 mV).

Suurendamaks seadete töökiirust, on tootjad läinud üle väiksema lävipingega konstruktsioonidele. Selle tõttu on aga näiteks ühel kaasaegsel NMOP transistoril lävipingega 200 mV märkimisväärne lekkevool. Seadmed, mis sisaldavad tohutul hulgal lülitusi (näiteks lauaarvuti protsessor), mis, kuigi ei ole aktiivselt ümberlülitumas, tarbivad ikkagi lekkevoolu tõttu elektrivoolu. Selliste seadete puhul moodustab lekkevool olulise osa kogu voolutarbimisest. Uuema tehnoloogia juures, mis kasutab isegi veel õhemaid paisu dielektrikuid, tekib täiendav lekkevool voolu tunneleerimise tõttu läbi üliõhukese paisu dielektriku. Kui kasutada suure dielektrilise konstandiga dielektrikut konventsionaalse paisu dielektriku – ränioksiidi – asemel, siis on võimalik saavutada räniga sarnast tulemust ka paksemat paisu isolaatorit kasutades, mis omakorda võimaldab vältida lekkevoolu teket. Lekkevoolu vähendamine uute materjalide kasutuselevõtuga ja seadmete konstruktsioonide täiendamisega on äärmiselt vajalik, et hoida CMOS seadmete mõõtmed väikestena

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. COS-MOS oli RCA kaubamärk ning sundis seetõttu teisi tootjaid välja mõtlema uue nime – CMOS
  2. Intel 45nm Hi-k Silicon Technology
  3. Baker, R. Jacob (2008). CMOS: circuit design, layout, and simulation, Second, Wiley-IEEE, 1080. ISBN 978-0-470-22941-5. 
  4. Edwards C, "Temperature control", Engineering & Technology Magazine 26 July - 8 August 2008, IET
  5. Patrick Moorhead (January 15th, 2009). "Breaking Records with Dragons and Helium in the Las Vegas Desert". blogs.amd.com/patmoorhead. Originaali arhiivikoopia seisuga 7.07.2012. Vaadatud 18.09.2009.

Lisalugemist[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]