CMOS (Complementary Metal–Oxyde–Semiconductor) est la principale technologie utilisée dans les puces modernes car elle utilise ensemble les transistors NMOS et PMOS pour réduire le gaspillage d’énergie. Il prend en charge les circuits numériques, analogiques et à signaux mixtes dans les processeurs, la mémoire, les capteurs et les appareils sans fil. Cet article fournit des informations sur le fonctionnement du CMOS, les étapes de fabrication, la mise à l’échelle, la consommation d’énergie, la fiabilité et les applications.
Bases de la technologie CMOS
Le semi-conducteur métallique-oxyde complémentaire (CMOS) est la principale technologie utilisée pour construire des circuits intégrés modernes. Il utilise deux types de transistors, NMOS (MOSFET à n canaux) et PMOS (MOSFET à canal p), disposés de façon à ce que lorsque l’un est allumé, l’autre soit éteint. Cette action complémentaire permet de réduire le gaspillage d’énergie pendant le fonctionnement normal.
Le CMOS permet de placer un très grand nombre de transistors sur un petit morceau de silicium tout en maintenant la consommation d’énergie et la chaleur à des niveaux gérables. Pour cette raison, la technologie CMOS est utilisée dans les circuits numériques, analogiques et à signaux mixtes dans de nombreux systèmes électroniques modernes, des processeurs et mémoires aux capteurs et puces sans fil.
Les dispositifs MOSFET comme cœur de la technologie CMOS
Dans la technologie CMOS, le MOSFET (Metal–Oxyde–Semiconductor Field-Effect Transistor) est l’interrupteur électronique de base. Il est construit sur une plaquette en silicium et comporte quatre parties principales : la source, le drain, la grille et le canal entre la source et le drain. La grille repose sur une couche isolante très fine appelée oxyde de grille, qui la sépare du canal.
Lorsqu’une tension est appliquée à la grille, elle modifie la charge dans le canal. Cela permet soit au courant de circuler entre la source et le drain, soit l’arrête. Dans un transistor NMOS, le courant est transporté par des électrons. Dans un transistor PMOS, le courant est transporté par des trous. En formant des transistors NMOS et PMOS dans différentes régions appelées puits, la technologie CMOS peut placer les deux types de transistors sur la même puce.
Fonctionnement logique CMOS dans les circuits numériques
• La logique CMOS utilise des paires de transistors NMOS et PMOS pour construire des portes logiques de base.
• La porte CMOS la plus simple est l’onduleur, qui inverse le signal : lorsque l’entrée est 0, la sortie est 1 ; lorsque l’entrée est 1, la sortie est 0.
• Dans un onduleur CMOS, le transistor PMOS connecte la sortie à l’alimentation positive lorsque l’entrée est basse.
• Le transistor NMOS connecte la sortie à la masse lorsque l’entrée est haute.
• En fonctionnement normal, un seul chemin (vers l’alimentation ou vers la terre) est allumé à la fois, donc la consommation d’énergie statique reste très faible.
• Des portes CMOS plus complexes, telles que NAND et NOR, sont créées en connectant plusieurs transistors NMOS et PMOS en série et en parallèle.
CMOS vs NMOS vs TTL : comparaison des familles logiques
| Fonctionnalité | CMOS | NMOS | TTL (Bipolaire) |
|---|---|---|---|
| Alimentation statique (inactivité) | Très bas | Modéré | Haut |
| Puissance dynamique | Faible pour la même fonction | Plus haut | Haut à grande vitesse |
| Plage de tension d’alimentation | Fonctionne bien à basse tension | Plus limité | Souvent fixé autour de 5 V |
| Densité d’intégration | Très haut | Lower | Faible comparé au CMOS |
| Usage typique aujourd’hui | Choix principal dans les puces modernes | Principalement des circuits anciens ou spéciaux | Principalement des circuits anciens ou spéciaux |
Processus de fabrication de puces CMOS
• Commencer avec une plaquette de silicium propre et de haute qualité comme base pour la puce CMOS.
• Former des régions à puits n et puits à p où seront fabriqués les transistors NMOS et PMOS.
• Faire pousser ou déposer une fine couche d’oxyde de grille à la surface de la plaquette.
• Déposer et modeler le matériau de la grille pour créer les grilles des transistors.
• Implanter les régions source et drain avec les dopants appropriés pour les transistors NMOS et PMOS.
• Construire des structures d’isolation afin que les transistors proches ne s’influencent pas entre eux.
• Déposer des couches isolantes et métalliques pour connecter les transistors dans des circuits de fonctionnement.
• Ajouter plus de couches métalliques et de petits liens verticaux appelés vias pour acheminer les signaux à travers la puce.
• Finir avec des couches de passivation protectrice, puis découper la plaquette en puces séparées, les emballer et les tester.
Mise à l’échelle technologique dans le CMOS
Au fil du temps, la technologie CMOS est passée de fonctionnalités de taille micrométrique à des fonctionnalités de taille nanométrique. À mesure que les transistors deviennent plus petits, plus d’entre eux peuvent tenir sur la même zone de puce. Les transistors plus petits peuvent aussi commuter plus rapidement et peuvent souvent fonctionner à des tensions d’alimentation plus basses, ce qui améliore les performances tout en réduisant l’énergie par opération. Mais la réduction de la taille des appareils CMOS comporte aussi des défis :
• De très petits transistors peuvent fuir plus de courant, augmentant la puissance de veille.
• Les effets de canal court rendent les transistors plus difficiles à contrôler.
• Les variations du procédé font que les paramètres des transistors varient davantage d’un appareil à l’autre.
Pour traiter ces problèmes, des structures de transistors plus récentes telles que les FinFET et les dispositifs à porte tout autour sont utilisées, ainsi que des étapes de processus plus avancées et des règles de conception plus strictes dans la technologie CMOS moderne.
Types de consommation d’énergie dans les circuits CMOS
| Type de puissance | Quand cela arrive | Cause principale | Effet simple |
|---|---|---|---|
| Puissance dynamique | Lorsque les signaux passent de 0 à 1 | Charger et décharger de petits condensateurs | Augmente à mesure que le commutateur et l’horloge augmentent |
| Alimentation en court-circuit | Pendant un court moment, pendant qu’une porte commute | NMOS et PMOS sont partiellement actifs ensemble | Puissance supplémentaire utilisée lors des changements |
| Puissance de fuite | Même lorsque les signaux ne commutent pas | Petit courant circulant à travers les transistors | Devient basique à des tailles très petites |
Mécanismes de défaillance dans la technologie CMOS
Les dispositifs CMOS peuvent échouer en cas de verrouillage, de dommages causés par l’ESD, de vieillissement à long terme ou d’usure des interconnexions métalliques. Le verrouillage se produit lorsque des chemins PNPN parasites à l’intérieur de la puce s’activent et créent une connexion à faible résistance entre VCC et la masse ; Des contacts de puits forts, des anneaux de garde et un espacement adéquat de la disposition contribuent à la limiter. L’ESD (décharge électrostatique) peut percer de fines oxydes de grille et des jonctions lorsque des pics de tension rapides atteignent les broches, donc les pastilles d’E/S incluent généralement des pinces dédiées et des réseaux de protection à diodes. Avec le temps, les paramètres de transistor à décalage BTI et d’injection de porteuse chaude, ainsi que la densité excessive de courant, peuvent déclencher une électromigration qui affaiblit ou casse les lignes métalliques.
Blocs de construction numériques dans la technologie CMOS
• Les portes logiques de base telles que les onduleurs, NAND, NOR et XOR sont construites à partir de transistors CMOS.
• Des éléments séquentiels comme les loquets et les tongs conservent et mettent à jour des bits de données numériques.
• Les blocs de chemin de données, y compris additionneurs, multiplexeurs, décalages et compteurs, sont formés en combinant de nombreuses portes CMOS.
• Les blocs mémoire tels que les cellules SRAM sont regroupés en matrices pour un stockage intégré à de petits projets.
• Les cellules standard sont des blocs logiques CMOS préconçus que les outils numériques réutilisent sur une puce.
• Les grands systèmes numériques, incluant les CPU, contrôleurs et accélérateurs personnalisés, sont créés en reliant de nombreuses cellules standard et blocs mémoire dans la technologie CMOS.
Circuits analogiques et RF dans la technologie CMOS
La technologie CMOS ne se limite pas à la logique numérique. Il peut également être utilisé pour construire des circuits analogiques fonctionnant avec des signaux continus :
• Des blocs tels que les amplificateurs, comparateurs et références de tension sont fabriqués à partir de transistors CMOS et de composants passifs.
• Ces circuits aident à détecter, façonner et contrôler les signaux avant ou après le traitement numérique.
Le CMOS peut également prendre en charge les circuits RF (radiofréquence) :
• Les amplificateurs, mixeurs et oscillateurs à faible bruit peuvent être implémentés dans le même procédé CMOS utilisé pour la logique numérique.
• Lorsque des blocs analogiques, RF et numériques sont combinés sur une seule puce, la technologie CMOS permet des solutions système sur puce à signaux mixtes ou RF qui gèrent à la fois le traitement du signal et la communication sur une seule puce.
Applications de la technologie CMOS
| Domaine d’application | Rôle principal du CMOS | Exemples d’appareils |
|---|---|---|
| Processeurs | Logique numérique et contrôle | Processeurs d’applications, microcontrôleurs |
| Mémoire | Stockage de données en utilisant SRAM, mémoire flash et autres | Mémoire cache, mémoire flash intégrée |
| Capteurs d’image | Réseaux de pixels actifs et circuits de lecture | Smartphones, webcams |
| Interfaces analogiques | Amplificateurs, ADC et DAC | Interfaces de capteurs, codecs audio |
| RF et sans fil | Front-ends RF et oscillateurs locaux | Wi-Fi, Bluetooth, émetteurs-récepteurs cellulaires |
Conclusion
Le CMOS prend en charge une densité de transistors élevée, une faible puissance statique et une commutation rapide dans les circuits intégrés modernes. Il construit des portes logiques, des blocs mémoire et de grands systèmes numériques, tout en supportant également les circuits analogiques et RF sur la même puce. À mesure que la mise à l’échelle se poursuit, les fuites, les effets de canal court et la variation des dispositifs augmentent, de sorte que des structures plus récentes comme les FET et les gate-all-around sont utilisées.
Foire aux questions [FAQ]
Quelle est la différence entre le CMOS à puits à n, puits et CMOS à puits jumeaux ?
N-puits construit le PMOS en n-puits, le puits p construit le NMOS dans les puits p, et le puits jumelé utilise les deux pour un meilleur contrôle du comportement des transistors.
Pourquoi les puces CMOS utilisent-elles plusieurs couches métalliques ?
Pour connecter plus de signaux, réduire la congestion du routage et améliorer l’efficacité du câblage à travers la puce.
Quel est l’effet corps dans un transistor CMOS ?
Il s’agit d’un changement de tension seuil causé par une différence de tension entre la source et le corps du transistor.
Qu’est-ce que les condensateurs de découplage dans les puces CMOS ?
Ils stabilisent l’alimentation en réduisant les chutes de tension et le bruit lors de la commutation.
Pourquoi le CMOS a-t-il besoin de blindés et d’anneaux de garde ?
Pour réduire le couplage bruyant et éviter les interférences entre les zones sensibles et bruyantes du circuit.
En quoi la SRAM diffère-t-elle de la DRAM et de la flash dans CMOS ?
La SRAM est rapide mais plus grande, la DRAM est plus dense mais nécessite un rafraîchissement, et la mémoire flash conserve les données même sans alimentation.