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CMOS (互補式金屬氧化物半導體)


互補式金屬氧化物半導體(英語:Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS,簡稱互補式金氧半)是一種積體電路製程,可在矽晶圓上製作出PMOS(P-channel MOSFET)和NMOS(N-channel MOSFET)元件,由於PMOS與NMOS在特性上為互補性,因此稱為CMOS。此製程可用來製作微處理器(microprocessor), 微控制器(microcontroller),靜態隨機存取記憶體(SRAM)與其他數位邏輯電路。

CMOS具有只有在電晶體需要切換啟閉時才需耗能的優點,因此非常省電且發熱少。早期的唯讀記憶體(ROM)主要就是以這種電路製作,由於當時電腦系統的BIOS程式和參數資訊都保存在ROM中,以致在很多情況下當人們提到「CMOS」時,實際上指的是電腦的BIOS單元,而「設定CMOS」就是意指在設定BIOS。

所謂的「金屬-氧化層-半導體」事實上是反映早期場效電晶體(Field-Effect Transistor, FET)的閘極(gate electrode)是由一層金屬覆蓋在一層絕緣體材料(如二氧化矽)所形成。今日的金氧半場效電晶體(MOSFET)元件多已採用多晶矽(polysilicon)作為其閘極的材料,但即便如此,「金氧半」(MOS)仍然被用在現在的元件與製程名稱當中。

在今日,CMOS製程經常也被用來當作數位影像器材的感光元件使用,又稱為主動像素感測器(Active Pixel Sensor),例如高解析度數位攝影機與數位相機,尤其是片幅規格較大的數位單眼相機更常見到CMOS的應用,另外消費型數位相機亦開始使用背面照射式CMOS,使成像得以提升。跟傳統的電荷耦合元件(CCD)相比,由於CMOS每粒像素都設有放大器,所以數據傳輸速度很高。雖然在用途上與過去CMOS電路主要作為韌體或計算工具的用途非常不同,但基本上它仍然是採取CMOS的製程,只是將純粹邏輯運算的功能轉變成接收外界光線後轉化為電能,再透過晶片上的數位─類比轉換器(ADC)將獲得的影像訊號轉變為數位訊號輸出。

當微機電(MEMS)的感應元件和CMOS的訊號處理電路整合在單一晶片上時,通常稱作CMOSens。

1963年,快捷半導體(Fairchild Semiconductor)的Frank Wanlass發明了CMOS電路。到了1968年,美國無線電公司(RCA)一個由亞伯·梅德溫(Albert Medwin)領導的研究團隊成功研發出第一個CMOS積體電路(Integrated Circuit)。早期的CMOS元件雖然功率消耗比常見的電晶體-電晶體邏輯電路(Transistor-to-Transistor Logic, TTL)要來得低,但是因為操作速度較慢的緣故,所以大多數應用CMOS的場合都和降低功耗、延長電池使用時間有關,例如電子錶。不過經過長期的研究與改良,今日的CMOS元件無論在使用的面積、操作的速度、耗損的功率,以及製造的成本上都比另外一種主流的半導體製程BJT(Bipolar Junction Transistor,雙載子電晶體)要有優勢,很多在BJT無法實現或是實作成本太高的設計,利用CMOS皆可順利的完成。

早期分離式CMOS邏輯元件只有「4000系列」一種(RCA 'COS/MOS'製程),到了後來的「7400系列」時,很多邏輯晶片已經可以利用CMOS、NMOS,甚至是BiCMOS(雙載子互補式金氧半)製程實現。

早期的CMOS元件和主要的競爭對手BJT相比,很容易受到靜電放電(ElectroStatic Discharge, ESD)的破壞。而新一代的CMOS晶片多半在輸出入接腳(I/O pin)和電源及接地端具備ESD保護電路,以避免內部電路元件的閘極或是元件中的PN接面(PN-Junction)被ESD引起的大量電流燒毀。不過大多數晶片製造商仍然會特別警告使用者盡量使用防靜電的措施來避免超過ESD保護電路能處理的能量破壞半導體元件,例如安裝記憶體模組到個人電腦上時,通常會建議使用者配戴防靜電手環之類的設備。

此外,早期的CMOS邏輯元件(如4000系列)的操作範圍可由3伏特至18伏特的直流電壓,所以CMOS元件的閘極使用鋁做為材料。而多年來大多數使用CMOS製造的邏輯晶片也多半在TTL標準規格的5伏特底下操作,直到1990年後,有越來越多低功耗的需求與訊號規格出現,取代了雖然有著較簡單的訊號介面、但是功耗與速度跟不上時代需求的TTL。此外,隨著MOSFET元件的尺寸越做越小,閘極氧化層的厚度越來越薄,所能承受的閘極電壓也越來越低,有些最新的CMOS製程甚至已經出現低於1伏特的操作電壓。這些改變不但讓CMOS晶片更進一步降低功率消耗,也讓元件的效能越來越好。

近代的CMOS閘極多半使用多晶矽製作。和金屬閘極比起來,多晶矽的優點在於對溫度的忍受範圍較大,使得製造過程中,離子佈值(ion implantation)後的退火(anneal)製程能更加成功。此外,更可以讓在定義閘極區域時使用自我校準(self-align)的方式,這能讓閘極的面積縮小,進一步降低雜散電容(stray capacitance)。2004年後,又有一些新的研究開始使用金屬閘極,不過大部分的製程還是以多晶矽閘極為主。關於閘極結構的改良,還有很多研究集中在使用不同的閘極氧化層材料來取代二氧化矽,例如使用高介電係數介電材料(high-K dielectric),目的在於降低閘極漏電流(leakage current)。

CMOS同時可指互補式金氧半元件及製程。在同樣的功能需求下,CMOS製程所製造的積體電路(IC)享有功耗較低的優勢,這也使得今日的積體電路產品大多是以CMOS製造。


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