Bộ nhớ CMOS

CMOS, viết tắt của 'Complementary Metal-Oxide-Semiconductor' trong tiếng Anh, là thuật ngữ dùng để chỉ công nghệ chế tạo các mạch tích hợp. Công nghệ CMOS được áp dụng trong việc chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các cổng logic khác. Nó cũng được sử dụng phổ biến trong các mạch tương tự như cảm biến hình ảnh, chuyển đổi dữ liệu và các vi mạch thu phát có mật độ tích hợp cao trong ngành thông tin.

Thuật ngữ 'complementary' ('bổ sung') trong tên gọi của vi mạch ám chỉ việc thiết kế các hàm lôgíc trong vi mạch CMOS sử dụng cả transistor PMOS và NMOS, và tại mỗi thời điểm chỉ có một loại transistor hoạt động ở trạng thái đóng (ON).

Các linh kiện chế tạo bằng công nghệ CMOS nổi bật với độ miễn nhiễm cao và mức tiêu thụ năng lượng rất thấp khi không hoạt động. Các vi mạch CMOS tiêu thụ năng lượng chủ yếu khi các transistor bên trong chuyển đổi giữa trạng thái đóng (ON) và mở (OFF). Vì vậy, các thiết bị CMOS tiết kiệm năng lượng và sinh nhiệt ít hơn so với các loại cổng logic khác như mạch transistor-transistor logic (TTL) hay mạch logic NMOS. Công nghệ CMOS còn cho phép tích hợp các hàm lôgíc với mật độ cao trên chíp.

Thuật ngữ 'metal-oxide-semiconductor' có nguồn gốc từ quy trình chế tạo vi mạch tích hợp CMOS trước đây, trong đó các transistor hiệu ứng trường được tạo ra với điện cực cổng bằng kim loại đặt lên lớp cách điện oxide trên vật liệu bán dẫn. Hiện nay, thay vì kim loại, người ta dùng polysilicon để chế tạo điện cực cổng. Tuy nhiên, IBM và Intel đã công bố việc tái sử dụng cổng kim loại trong công nghệ CMOS để tận dụng tính chất tiên tiến của vật liệu có hằng số điện môi cao, đặc biệt là cho các vi mạch kích thước 45 nanomét hoặc nhỏ hơn. Dù có nhiều thay đổi, tên gọi CMOS vẫn được duy trì trong các quy trình chế tạo hiện đại.

Một vi mạch tích hợp nhỏ chứa nhiều tranzito CMOS đôi khi được gọi là vi mạch tích hợp CHMOS. CHMOS là viết tắt của 'Complementary High-density metal-oxide-semiconductor' trong tiếng Anh.

Có khi, khi kết hợp cảm biến MEMS với bộ xử lý tín hiệu số trên một vi mạch tích hợp CMOS, nó được gọi là CMOSens.

Lịch sử phát triển

Frank Wanlass đã phát minh ra mạch CMOS vào năm 1963 tại Fairchild Semiconductor. Đến năm 1968, mạch tích hợp CMOS đầu tiên được sản xuất bởi một nhóm nghiên cứu tại RCA dưới sự dẫn dắt của Albert Medwin. Ban đầu, CMOS được coi là một giải pháp thay thế TTL (logic) nhờ vào khả năng tiêu tán năng lượng thấp hơn, dù tốc độ hoạt động chậm hơn TTL. Vì lý do này, CMOS được ngành công nghiệp đồng hồ điện tử và các lĩnh vực khác quan tâm, nơi thời gian sử dụng pin quan trọng hơn tốc độ. Khoảng 25 năm sau, CMOS đã trở thành kỹ thuật chủ đạo trong vi mạch tích hợp số. Điều này là nhờ vào sự ra đời của các thế hệ quy trình chế tạo bán dẫn mới, giảm kích thước hình học của transistor, dẫn đến nhiều cải tiến như giảm diện tích vi mạch, tăng tốc độ hoạt động, nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm chi phí chế tạo. Thêm vào đó, nhờ vào tính đơn giản và khả năng tiêu tán công suất thấp của mạch CMOS, vi mạch với mật độ tích hợp cao có thể được thực hiện, điều mà các transistor lưỡng cực không thể làm được.

Ban đầu, chỉ có các hàm logic CMOS cơ bản có mặt trong vi mạch tích hợp số thuộc họ 4000. Sau đó, nhiều hàm trong họ 7400 đã được chế tạo bằng các kỹ thuật CMOS, NMOS, BiCMOS và những công nghệ khác.

Trong giai đoạn đầu, mạch CMOS rất nhạy cảm với sự xả điện tích tĩnh điện (ESD), dẫn đến tình trạng dễ bị hư hỏng. Để khắc phục, các thế hệ sau thường được trang bị các mạch bảo vệ tinh vi nhằm tiêu tán điện tích và bảo vệ lớp oxide cổng cũng như các tiếp giáp p-n mỏng manh. Dù vậy, các nhà sản xuất vẫn khuyến cáo sử dụng bộ phận chống tĩnh điện khi thao tác với vi mạch CMOS để tránh hiện tượng vượt quá năng lượng, chẳng hạn như khi thêm khối bộ nhớ vào máy vi tính.

Các thế hệ vi mạch CMOS đầu tiên, như họ 4000, sử dụng nhôm để chế tạo cực cổng, cho phép chúng hoạt động trong dải điện áp rộng từ 3 đến 18 volt DC. Tuy nhiên, trong nhiều năm sau, mạch logic CMOS được thiết kế với điện áp chuẩn công nghiệp là 5V để tương thích với TTL. Từ năm 1990, sự chú trọng vào giảm công suất tiêu hao đã dẫn đến việc hạ thấp điện áp cung cấp cùng với kích thước hình học của transistor. Điện áp thấp giúp giảm công suất tiêu hao và cho phép chế tạo lớp cách điện cực cổng mỏng hơn. Hiện nay, một số mạch CMOS hoạt động với điện áp cung cấp dưới 1 volt.

Vào thời kỳ đầu, điện cực cổng được chế tạo bằng nhôm. Các quy trình CMOS sau đó chuyển sang sử dụng silicon đa tinh thể (polysilicon), có khả năng chịu nhiệt tốt hơn trong quá trình tôi silicon sau khi cấy ion. Điều này cho phép đặt cực cổng từ giai đoạn sớm hơn trong quy trình chế tạo và sử dụng nó như một mặt nạ cấy để tạo cực cổng tự sắp đặt. Vào năm 2004, đã có nghiên cứu đề xuất việc trở lại sử dụng cực cổng kim loại, nhưng đến nay, các quy trình vẫn tiếp tục sử dụng polysilicon. Nghiên cứu cũng đang tìm cách thay thế lớp điện môi silicon dioxide bằng vật liệu điện môi k-cao để chống lại hiện tượng tăng dòng rỉ.

Chi tiết kỹ thuật

CMOS không chỉ là một phương pháp thiết kế mạch số mà còn là tên của một loạt quy trình chế tạo nhằm thực hiện mạch điện tử trên vi mạch (chip). Các mạch logic CMOS, được sản xuất qua quy trình CMOS, tiêu tán ít năng lượng hơn và có khả năng tích hợp mật độ cao hơn so với các quy trình khác với cùng chức năng. Sự nổi bật và quan trọng của ưu điểm này đã khiến quy trình CMOS cùng các biến thể của nó trở thành công nghệ chủ đạo, đến mức hầu hết các vi mạch tích hợp vào năm 2006 đều sử dụng quy trình CMOS.

Cấu trúc

Mạch logic CMOS sử dụng một tổ hợp của hai loại transistor hiệu ứng trường kim loại-oxide-bán dẫn (MOSFET) kiểu p và kiểu n để thực hiện các cổng logic và các mạch số khác trong máy vi tính, thiết bị viễn thông và xử lý tín hiệu. Mặc dù các mạch logic CMOS cũng có thể được làm bằng linh kiện rời (như những mạch bạn học trong môn mạch điện tử cơ bản), sản phẩm CMOS thương mại thường là mạch tích hợp chứa hàng triệu (hoặc hàng trăm triệu) transistor kiểu p và kiểu n được chế tạo trên một miếng silicon hình chữ nhật với diện tích từ 0,1 đến 4 cm vuông. Những miếng silicon này thường được gọi là chip hoặc die trong ngành công nghiệp, vì chúng được cắt từ miếng bánh silicon hình tròn, đơn vị cơ bản của sản xuất dụng cụ bán dẫn.

Trong cổng logic CMOS, một số MOSFET kiểu n được sắp xếp thành mạch kéo xuống, kết nối đầu ra của cổng với nguồn điện áp thấp. Thay vì sử dụng tải là điện trở như trong các cổng logic NMOS, cổng logic CMOS sử dụng tải là MOSFET kiểu p sắp xếp thành mạch kéo lên, kết nối đầu ra của cổng với nguồn điện áp cao. Mạch kéo lên, bao gồm các transistor kiểu p, bổ sung cho mạch kéo xuống, bao gồm các transistor kiểu n, sao cho khi các transistor kiểu n tắt, các transistor kiểu p sẽ dẫn và ngược lại.

Mạch logic CMOS tiêu tán ít năng lượng hơn mạch logic NMOS vì CMOS chỉ tiêu tán công suất khi chuyển trạng thái (công suất động). Một ASIC điển hình được chế tạo với công nghệ 90nm thay đổi trạng thái đầu ra trong 120 pico giây, và sự thay đổi này xảy ra mỗi 10 nano giây. Ngược lại, mạch logic NMOS tiêu tán công suất liên tục khi đầu ra ở mức thấp (công suất tĩnh), do có dòng điện chạy từ V_dd đến V_ss qua điện trở tải và mạch gồm các transistor kiểu n.

MOSFET kiểu p được coi là sự bổ sung cho MOSFET kiểu n vì chúng dẫn khi điện áp cực cổng thấp hơn điện áp cực nguồn và có khả năng kéo cực máng lên đến V_dd. Do đó, nếu hai transistor kiểu p và kiểu n có cùng cực cổng nối chung, MOSFET kiểu p sẽ dẫn khi MOSFET kiểu n tắt và ngược lại.

Ví dụ: cổng NAND

Ví dụ, hình bên phải minh họa sơ đồ mạch của một cổng NAND trong cấu trúc CMOS.

Khi cả hai đầu vào A và B đều ở mức cao, cả hai transistor kiểu n (phần dưới của sơ đồ) đều dẫn, trong khi không có transistor kiểu p (phần trên của sơ đồ) dẫn, do đó chỉ có một đường dẫn điện từ đầu ra đến V_ss, khiến đầu ra ở mức thấp. Nếu ít nhất một trong hai đầu vào A hoặc B ở mức thấp, ít nhất một transistor kiểu n sẽ không dẫn và ít nhất một transistor kiểu p sẽ dẫn, tạo ra một đường dẫn điện giữa đầu ra và V_dd, làm cho đầu ra ở mức cao.

Một lợi thế khác của CMOS so với NMOS là quá trình chuyển đổi từ mức thấp đến mức cao và ngược lại của CMOS diễn ra nhanh hơn, nhờ các transistor kéo lên có trở kháng thấp khi dẫn, không giống như điện trở tải trong mạch NMOS. Thêm vào đó, tín hiệu đầu ra của CMOS có thể quét gần hết phạm vi điện áp giữa hai nguồn cung cấp, mang lại đáp ứng gần như đối xứng và mạnh mẽ hơn, cũng như khả năng chống nhiễu tốt hơn.

Liên kết bên ngoài

• Các mô tả và mô phỏng sinh động về cổng CMOS có thể được tìm thấy tại Lưu trữ ngày 30 tháng 10 năm 2005 trên Wayback Machine
• Thông tin về CMOS có thể tham khảo tại Lưu trữ ngày 19 tháng 12 năm 2007 trên Wayback Machine