Кмоп транзисторы принцип работы

КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor ) — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем — КМОП.

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 в одной локации кристалла; вследствие меньшего расстояния между элементами КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

По аналогичной технологии выпускаются дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).

Содержание

История [ править | править код ]

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 для электростатических разрядов. 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.

Схемотехника [ править | править код ]

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 могут быть открыты и между цепями питания возникает ток короткого замыкания. Это приводит к повышению энергопотребления.

Защита от статического электричества [ править | править код ]

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.

Основой КМОП элементов является инвертор, построенный на двух комплементарных (дополняющих) МОП транзисторах (n-МОП и p-МОП) с изолированным затвором и индуцированным каналом. Особенностью такой схемы (рис. 4.17) является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.

Читайте также:  Качели детские напольные фото

На рис. 4.5.2.приведены стоко-затворные характеристики используемых транзисторов. Транзистор с n-каналом (n) начинает проводить ток, если на его затвор подается положительное напряжение, а транзистор с р-каналом (p) – если на его затвор подается отрицательное напряжение по отношению к истоку.

Важно, что оба транзистора имеют «пятку» на своих стоко-затворных характеристиках. Таким образом, если мы хотим, чтобы схема работала при положительном напряжении питания (+EП), то в качестве ключевого транзистора необходимо использовать n, а в качестве нагрузочного – p.

Рис. 4.17.1. КМОП инвертор

Рис. 4.5.2. Стоко-затворные характеристики КМОП транзисторов

Инвертор (рис. 4.17) построен так, что исток p соединен с En, а исток n – с землей. Затворы n и p объединяются и служат входом инвертора, стоки n и p также объединяются и служат выходом инвертора. При таком включении будут справедливы следующие формулы для определения напряжения затвор-исток n и p: Uзип = Uвх , Uзир = Uвхп

Uзип – напряжение затвор-исток n-канального транзистора (n);

Uзир – напряжение затвор-исток р-канального транзистора (р).

При рассмотрении работы инвертора будем полагать, что n и p обладают идентичными характеристиками и пороговое напряжение UПп =½UПр½=1,5В.

UПп – пороговое напряжение n-канального транзистора;

UПр – пороговое напряжение p-канального транзистора.

Рассмотрим работу КМОП инвертора по его ХВВ (рис. 4.18-а), на которой можно выделить четыре участка и зависимости UЗИ = f(UBX) (рис. 4.18-б).

В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как n закрыт), p находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к EП(U 1 ВЫХ » EП).

где UП напряжение, при котором происходит переключение схемы

Ток, потребляемый схемой, определяется в этом случае транзистором p.

Выходное напряжение на этом участке равно падению напряжения на канале n. Так как n находится в насыщении, то это падение невелико, и с ростом UBX оно все более и более уменьшается.

В этом состоянии схема практически не потребляет тока (так как p закрыт). n находится в глубоком насыщении, на выходе при этом будет напряжение, близкое к нулю (Uвых » 0).

Как видно из ХВВ (рис 4.5.1а), КМОП элементы обладают хорошей помехоустойчивостью. Помехоустойчивость по нулю и единице равны. Это объясняется тем, что точка переключения (Uвх = UП)лежит точно в центре диапазона изменения входного напряжения (ЕП>Uвх>0). При ЕП = +5В максимальное значение помехи может достигать 1,5В. С ростом EП абсолютная помехоустойчивость увеличивается. Помехоустойчивость КМОП элементов составляет примерно 30% от ЕП (U 0 вх.макс » 0.3ЕП, U 1 вх.мин » 0.7ЕП).

Так как на входе КМОП инвертора стоят МОП транзисторы с изолированным затвором, то входное сопротивление очень велико (10 12 ¸10 13 Ом). Поэтому по входу такие схемы практически не потребляют тока.

Выходное сопротивление КМОП схем мало как в состоянии Лог. 0, так и в состоянии Лог. 1, так как один из транзисторов n или p обязательно будет открыт. Таким образом, выходное сопротивление определяется сопротивлением канала открытого МОП транзистора и составляет 10 2 ¸10 3 Ом.

Высокое входное и малое выходное сопротивления обуславливают высокий статический коэффициент разветвления по выходу. Коэффициент разветвления будет ограничиваться сверху только требованиями по быстродействию. Так как каждый вход схемы обладает определенной емкостью, то с ростом коэффициента разветвления будет расти емкость нагрузки, которая, в свою очередь, будет увеличивать время переключения элемента.

Таким образом, с уменьшением рабочей частоты коэффициент разветвления будет увеличиваться. В связи с вышесказанным ясно, что входная и нагрузочная характеристики теряют свой смысл. Нагрузочная характеристика имеет значение только при сопряжении КМОП элементов с элементами других типов.

Малое выходное сопротивление элемента в обоих состояниях позволяет быстро перезаряжать емкость нагрузки. Это обуславливает малые времена задержек при включении и выключении схемы. Практически времена задержек равны 50 ¸ 200 нс.

Рис. 4.5.1в поясняет процесс потребления тока схемой.

В статическом положении КМОП схемы потребляют очень маленький ток (10 -6 -10 -7 А).

В основном ток потребляется при переключении схемы, в то время, когда UЗИП и ½UЗИР½> UПОР и оба транзистора n и p открыты (участки II и III на ХВВ) Однако величина этого тока меньше, чем у ТТЛ схем, так как объемные сопротивления открытых МОП транзисторов превышают сопротивления открытых биполярных транзисторов. По этой причине в схемах КМОП отсутствует ограничивающий резистор.

Читайте также:  Какая хорошая бритва для женщин

При переключении схемы расходуется также ток на заряд емкости нагрузки. Величина этого тока может быть определена как I=CEfП где fП – частота переключения схемы.

К преимуществам КМОП схем можно также отнести возможность работы при различных напряжениях питания (3‑15В). При повышении напряжения питания абсолютная помехоустойчивость будет увеличиваться, однако будет увеличиваться и потребляемый ток (участки II и III на ХВВ станут шире). При напряжении питания + 5В уровни сигналов КМОП схем становятся совместимы с уровнями ТТЛ При этом надо, однако, следить, чтобы U 1 вх.мин для КМОП схем было бы больше EП|UПР| длянадежного запирания p. Для этой цели часто выход ТТЛ через резистор подключают к EП.

Работа КМОП схем на схемы ТТЛ осуществляется, как правило, через монтажные схемы.

На рис. 4.19приведена схема базового элемента типа КМОП. Элемент реализует функцию 4И-НЕ. Транзисторы расположены таким образом, что при любой комбинации входных сигналов в схеме не будет протекания сквозного тока. Аналогичным образом строятся элементы типа ИЛИ-НЕ (рис. 4.20).

В таких схемах из-за последовательного включения транзисторов в одном из плеч увеличивается выходное сопротивление в одном из состояний. Поэтому такие элементы имеют различные времена включения и выключения. Для элемента И-НЕ время включения больше времени выключения, а для элемента ИЛИ-НЕ – наоборот.

Рис. 4.19. Реализация функции 4И-НЕ на КМОП

Рис. 4.20. Реализация функции 4ИЛИ-НЕ на КМОП

Из-за очень высокого входного сопротивления даже статический заряд способен создать пробивное напряжение. Для защиты от высоковольтных зарядов статического электричества на входах схем КМОП имеется (внутри микросхемы) специальная схема защиты (рис. 4.21).

Рис. 4.21. КМОП-инвертор со схемой защиты затвора от статического электричества

Диоды VD1, VD2 и VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диоды VD4 и VD7 защищают выход инвертора от пробоя между р и n областями. Диоды VD5 и VD6 включены последовательно между шинами питания для защиты от случайной перемены полярности питания.

Типичными представителями КМОП схем являются элементы серии К564, которые характеризуются следующими параметрами:

Специального внимания при подготовке требует индивидуальный эксперимент (УИРС).

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 была достигнута 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 мало. 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).

Серии логических КМОП-микросхем зарубежного производства

  • На КМОП-транзисторах (CMOS):
  • 4000 – CMOS с питанием от 3 до 15В, 200 нс;
  • 4000B – CMOS с питанием от 3 до 15В, 90 нс;
  • 74C — аналогична серии 4000B;
  • 74HC — Высокоскоростная CMOS, по скорости аналогична серии LS, 12 нс;
  • 74HCT — Высокоскоростная, совместимая по выходам с биполярными сериями;
  • 74AC — Улучшенная CMOS, скорость в целом между сериями S и F;
  • 74ACT — Улучшенная CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями;
  • 74AHC — Улучшенная высокоскоростная CMOS, втрое быстрее HC;
  • 74AHCT — Улучшенная высокоскоростная CMOS, совместимая 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 Серии логических КМОП-микросхем отечественного производства
  • На КМОП-транзисторах (CMOS):
  • 164, 176, 561 и 564 соответствуют серии 4000, но у 164 и 176 питание только 9В;
  • 1554 – серии 74AC;
  • 1561 – серии 4000B;
  • 1564 – серии 74HC;
  • 1594 – серии 74ACT;
  • 5564 – серии 74HCT;
Читайте также:  Как содержать собаку на улице

См. также

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
  • http://www.inp.nsk.su/

    kozak/ac/ach00.htm Справочник по стандартным цифровым КМОП микросхемам

  • http://www.vicgain.ru/spmikro/sdspmikr.htm Микросхемы ТТЛ и КМОП. Справочник
Пассивные твердотельные
Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Индуктивность · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна
Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор
Интегральная схема · Цифровая интегральная схема · Аналоговая интегральная схема
Тиристор · Симистор · Динистор
Пассивные вакуумные Бареттер
Активные вакуумные и газоразрядные Электронная лампа · Электровакуумный диод · Триод · Тетрод · Пентод · Механотрон · Клистрон · Магнетрон · Амплитрон · Платинотрон · Электронно-лучевая трубка · Лампа бегущей волны
Устройства отображения Электронно-лучевая трубка · ЖК монитор · Светодиод · Газоразрядный индикатор · Флажковый индикатор · Семисегментный индикатор
Акустические устройства и датчики Микрофон · Динамик · Тензорезистор · Пьезокерамический излучатель
Термоэлектрические устройства Термистор · Термопара · Элемент Пельтье

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое “КМОП-транзистор” в других словарях:

КМОП — Статический КМОП инвертор КМОП (К МОП; комплементарная логика на транзисторах металл оксид полупроводник; КМДП[1] … Википедия

Транзистор — Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении … Википедия

Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) — Транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) полевой транзистор, в котором для создания канала вместо легированной области, в отличие от обычных МОП транзисторов, используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной… … Википедия

Транзистор с высокой подвижностью электронов — (ТВПЭ) полевой транзистор, в котором для создания канала вместо легированной области, в отличие от обычных МОП транзисторов, используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (т. н. гетеропереход)[1].… … Википедия

Транзистор (завод) — Филиал «Транзистор» Тип Филиал Год основания 1968 Расположение … Википедия

Полевой транзистор — Полевой транзистор (англ. field effect transistor, FET) полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе… … Википедия

Униполярный транзистор — Полевой транзистор полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда… … Википедия

Составной транзистор — Условное обозначение составного транзистора Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) объединение двух или более биполярных транзисторов[1] с це … Википедия

Биполярный транзистор — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно… … Википедия

Баллистический транзистор — Баллистические транзисторы собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей много больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать… … Википедия

“>

Комментарии запрещены.

Присоединяйся