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CMOS (互补式金属氧化物半导体)


互补式金属氧化物半导体(英语:Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS,简称互补式金氧半)是一种积体电路制程,可在矽晶圆上制作出PMOS(P-channel MOSFET)和NMOS(N-channel MOSFET)元件,由于PMOS与NMOS在特性上为互补性,因此称为CMOS。此制程可用来制作微处理器(microprocessor), 微控制器(microcontroller),静态随机存取记忆体(SRAM)与其他数位逻辑电路。

CMOS具有只有在电晶体需要切换启闭时才需耗能的优点,因此非常省电且发热少。早期的唯读记忆体(ROM)主要就是以这种电路制作,由于当时电脑系统的BIOS程式和参数资讯都保存在ROM中,以致在很多情况下当人们提到“CMOS”时,实际上指的是电脑的BIOS单元,而“设定CMOS”就是意指在设定BIOS。

所谓的“金属-氧化层-半导体”事实上是反映早期场效电晶体(Field-Effect Transistor, FET)的闸极(gate electrode)是由一层金属覆盖在一层绝缘体材料(如二氧化矽)所形成。今日的金氧半场效电晶体(MOSFET)元件多已采用多晶矽(polysilicon)作为其闸极的材料,但即便如此,“金氧半”(MOS)仍然被用在现在的元件与制程名称当中。

在今日,CMOS制程经常也被用来当作数位影像器材的感光元件使用,又称为主动像素感测器(Active Pixel Sensor),例如高解析度数位摄影机与数位相机,尤其是片幅规格较大的数位单眼相机更常见到CMOS的应用,另外消费型数位相机亦开始使用背面照射式CMOS,使成像得以提升。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电路主要作为韧体或计算工具的用途非常不同,但基本上它仍然是采取CMOS的制程,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,再透过晶片上的数位─类比转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数位讯号输出。

当微机电(MEMS)的感应元件和CMOS的讯号处理电路整合在单一晶片上时,通常称作CMOSens。

1963年,快捷半导体(Fairchild Semiconductor)的Frank Wanlass发明了CMOS电路。到了1968年,美国无线电公司(RCA)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CMOS积体电路(Integrated Circuit)。早期的CMOS元件虽然功率消耗比常见的电晶体-电晶体逻辑电路(Transistor-to-Transistor Logic, TTL)要来得低,但是因为操作速度较慢的缘故,所以大多数应用CMOS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CMOS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制程BJT(Bipolar Junction Transistor,双载子电晶体)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CMOS皆可顺利的完成。

早期分离式CMOS逻辑元件只有“4000系列”一种(RCA 'COS/MOS'制程),到了后来的“7400系列”时,很多逻辑晶片已经可以利用CMOS、NMOS,甚至是BiCMOS(双载子互补式金氧半)制程实现。

早期的CMOS元件和主要的竞争对手BJT相比,很容易受到静电放电(ElectroStatic Discharge, ESD)的破坏。而新一代的CMOS晶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闸极或是元件中的PN接面(PN-Junction)被ESD引起的大量电流烧毁。不过大多数晶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,例如安装记忆体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CMOS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CMOS元件的闸极使用铝做为材料。而多年来大多数使用CMOS制造的逻辑晶片也多半在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讯号规格出现,取代了虽然有着较简单的讯号介面、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,闸极氧化层的厚度越来越薄,所能承受的闸极电压也越来越低,有些最新的CMOS制程甚至已经出现低于1伏特的操作电压。这些改变不但让CMOS晶片更进一步降低功率消耗,也让元件的效能越来越好。

近代的CMOS闸极多半使用多晶矽制作。和金属闸极比起来,多晶矽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(anneal)制程能更加成功。此外,更可以让在定义闸极区域时使用自我校准(self-align)的方式,这能让闸极的面积缩小,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闸极,不过大部分的制程还是以多晶矽闸极为主。关于闸极结构的改良,还有很多研究集中在使用不同的闸极氧化层材料来取代二氧化矽,例如使用高介电系数介电材料(high-K dielectric),目的在于降低闸极漏电流(leakage current)。

CMOS同时可指互补式金氧半元件及制程。在同样的功能需求下,CMOS制程所制造的积体电路(IC)享有功耗较低的优势,这也使得今日的积体电路产品大多是以CMOS制造。


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