CMOS简介及应用.docx

CMOS集成电路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。1自1958年美国德克萨斯仪器公司（TI）发明集成电路（IC）后，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃。MOS是：金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC（Complementary MOS Integrated Circuit）。数字集成电路按导电类型可分为双极型集成电路（主要为TTL）和单极型集成电路（CMOS、NMOS、PMOS等）。CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。电路原理CMOS，全称Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成在一块硅片上。该技术通常用于生产RAM和交换应用系统，在计算机领域里通常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的ROM芯片。CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管（BJT）效率要高得多，因此功耗很低。相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有以下优点：1、允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计2、逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强3、静态功耗低4、隔离栅结构使CMOS器件的输入电阻极大，从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多发展历史早期的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芯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。早期的CMOS设置程序驻留在软盘上的（如IBM的PC/AT机型），使用很不方便。多数厂家将CMOS设置程序做到了BIOS芯片中，在开机时通过按下某个特定键就可进入CMOS设置程序而非常方便地对系统进行设置，因此这种CMOS设置又通常被叫做BIOS设置。CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截止，比线性的三极管(BJT）效率要高得多，因此功耗很低，因此，计算机里一个纽扣电池就可以给它长时间地提供电力。优点相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有以下优点：允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强静态功耗低隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大，从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多CMOS发展比TTL晚，但是以其较高的优越性在很多场合逐渐取代了。TTL以下比较两者性能，大家就知道其原因了。CMOS是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成CMOS的逻辑电平范围比较大（515V），TTL只能在5V下工作CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差CMOS功耗很小，TTL功耗较大（15mA/门）CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL差不多相当。详细信息1,TTL电平：输出高电平2.4V，输出低电平=2.0V，输入低电平=0.8V，噪声容限是0.4V。2，CMOS电平：1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。3，电平转换电路：因为TTL和CMOS的高低电平的值不一样（ttl5vcmos 3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。4，驱动门电路OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外接上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。5，TTL和CMOS电路比较：1）TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短（5-10ns），但是功耗大。CMOS电路的速度慢，传输延迟时间长（25-50ns），但功耗低。CMOS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。3）CMOS电路的锁定效应（擎柱效应）：CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。防御措施：1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。3）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源。6，CMOS电路的使用注意事项1）CMOS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。2）输入端接低内阻的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。3）当接长信号传输线时，在CMOS电路端接匹配电阻。4）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。5）CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。7，TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：1）悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。2）在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。CMOS门电路就不用考虑这些了。8，TTL和CMOS电路的输出处理TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三极管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出；OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。9，什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA.制造过程p肼CMOS工艺p肼CMOS工艺采用轻掺杂的N型衬底制备PMOS器件。为了做出N型器件，必须先在N型衬底上做出P肼，在p肼内制造NMOS器件。典型的P肼硅栅CMOS工艺从衬底清洗到中间测试，总共50多道工序，需要5次离子注入，连同刻钝化窗口，共10次光刻。下面结合主要工艺流程来介绍P肼硅栅CMOS集成电路中元件的形成过程。光1光刻肼区，刻出肼区注入孔。肼区注入及推进，形成肼区。去除SiO2，长薄氧，长Si3N4光2反刻有源区（光刻场区），反刻出P管、N管的源、漏和栅区。光3光刻N管场区，刻去N管区上的胶，露出N管场区注入孔。N管场区注入，以提高场开启，减 少闩锁效应及改善肼的接触。长场氧化层，出去Si3N4，再飘去薄的SiO2，然后长栅氧化层。光4光刻P管区。p管区注入，调节PMOS管的开启电压，然后长多晶硅。光5反刻多晶硅，形成多晶硅栅及多晶硅电阻。光6光刻P+区，刻去P管及其他P+区上的胶。P+区注入，形成PMOS管的源、漏区及P+保护环。光7光刻N+区，刻去N+区上的胶。N+区注入，形成NMOS管的源、漏区及N+保护环。长PSG光8光刻引线孔。可在生长磷硅玻璃后先开一次孔，然后再磷硅玻璃回流及结注入推进后再开第二次孔。光9反刻铝引线。 光10光刻压焊块。历史早期分离式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，很多逻辑芯片已经可以利用CMOS、NMOS，甚至是BiCMOS（双载流子互补式金氧半）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芯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栅极或是元件中的PN结（PN-Junction）被ESD引起的大量电流烧毁。不过大多数芯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，例如安装内存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元件的栅极使用铝做为材料。而多年来大多数使用CMOS制造的逻辑芯片也多半在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信号规格出现，取代了虽然有着较简单的信号接口、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，栅极氧化层的厚度越来越薄，所能承受的栅极电压也越来越低，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芯片更进一步降低功率消耗，也让元件的性能越来越好。近代的CMOS栅极多半使用多晶硅制作。和金属栅极比起来，多晶硅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（anne