2.Основные принципы КМОП-технологии
2.1.Цифровая техника и логические вентили
Современная цифровая схемотехника основана на бинарной логике и обработке сигналов двух уровней – логического нуля и логической единицы. Хорошо различимые устойчивые логические состояния должны быть соотнесены с хорошо различимыми устойчивыми физическими состояниями, в качестве которых можно использовать, например, степень зарядки конденсатора. Заряженный конденсатор и высокое напряжение на его клеммах соответствуют логической единице, разряженный конденсатор и низкое (нулевое) напряжение – логическому нулю. Хранение, передача и обработка сигналов возможны только при наличии эффективной системы коммутации, т.е. возможности легко запирать конденсатор, заряжать и разряжать его с помощью управляющих сигналов. Прибор, осуществляющий такую функцию, должен под воздействием управляющего сигнала менять свою проводимость, по меньшей мере, на много порядков.
Рис. 2.1. Условное графическое обозначение и передаточная характеристика инвертора (VDD – стандартное обозначение напряжения питания)
Обработка информации осуществляется с помощью логических блоков, именуемых вентилями, простейшим из которых является инвертор, осуществляющий логическую операцию отрицания (логическая операция НЕ). Инвертор имеет один вход и один выход и
36
преобразует высокий сигнал (потенциал) на входе VIN в низкий на выходе VOUT и наоборот (рис. 2.1).
Принципиальным является то, что вентиль должен иметь сильную нелинейность передаточной характеристики, т.е. зависимости VOUT (VIN ). Это необходимо для того, чтобы обеспечить хорошее
отношение сигнал/шум даже при передаче сигнала через последовательный ряд вентилей. Внешняя помеха подавляется, обеспечивая тем самым хорошую помехоустойчивость, если коэффициент усиления dVOUT 
dVIN практически везде равен нулю, за исключе-
нием бесконечно узкой в идеале области переключения, где этот коэффициент стремится к бесконечности. Поэтому идеальная передаточная характеристика инвертора должна иметь вид ступеньки. Таким образом, хороший вентиль и логику, а также хорошую память можно построить только на основе приборов, обладающих сильной нелинейностью.
Почти идеальным прибором, сочетающим в себе свойства конденсатора, способного хранить информацию, и коммутационного ключа с нелинейными характеристиками, является полевой транзистор со структурой МОП (металл-окисел-полупроводник, МОПТ).
Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor).
2.2. Интегральные схемы и планарная технология
Вообще говоря, транзистором (от английского transfer resistor – передаточное сопротивление) называют трехэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. Управление током в выходной цепи осуществляется за счет изменения входного тока (в базе биполярного транзистора), либо входного напряжения (на затворе полевого транзистора). Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Резкая нелинейная зависимость выходного напряжения от входного параметра дает возможность построения цифровых элементов (вентилей), работающих с битами информации, на чем основана цифровая техника (логика в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, память и т.д.).
37
Биполярный транзистор был изобретен и изготовлен впервые в 1947 г. (Шокли, Бардин и Браттейн). Идея физически более простого полевого транзистора появилась гораздо раньше. Полевой транзистор был запатентован в 1930 г. (J.E. Lilienfeld), а впервые изго-
товлен – только в 1960 г. (D. Kahng, M.M. Attala). Ключевым пунк-
том оказалась возможность термического выращивания на пластине кремния собственного окисла с химически стабильной границей раздела Si-SiO2 очень высокого качества. Именно эта возможность (в некотором смысле, совсем не обязательная) обеспечила бурное развитие производства приборов на основе структур «металл- окисел-полупроводник» (МОП).
Другой ключевой технологической идеей, определившей развитие современной индустрии, явилась идея планарной интегральной технологии. Ее суть состоит в том, что с помощью специальных методов оптической и электронной литографии и ряда последовательных технологических операций на одной кремниевой подложке одновременно изготавливается схема практически любой степени сложности. Биполярная интегральная схема была впервые изготовлена в 1958 г. Джеком Килби (Jack Kilbey), получившим за это Нобелевскую премию 2000 г., и независимо Робертом Нойсом (Robert Noyce), который впоследствии стал одним из основателей фирмы Intel.
По историческим причинам в цифровой технике вначале доминировали биполярные технологии (рис. 2.2). Разработка первого микропроцессора Intel 4004 в 1971 г. ознаменовала начало эры доминирования цифровых МОП технологий. Исторически первой МОП технологией была технология на p-канальных МОП транзисторах. Ее сменила технология на n-канальных транзисторах, которую с начала 80-ых гг. ХХ в. начала вытеснять комбинированная технология, использующая комплементарные (взаимодополняющие) комбинации n-канальных и p-канальных МОП транзисторов, известная как КМОП (CMOS) технология.
38
Рис. 2.2. Развитие доминирующих ветвей микроэлектронной индустрии
Эта технология является основой современной микро- и наноэлектроники и, как предполагается, останется таковой в обозримой перспективе.
2.3. МОП транзистор и КМОП технология
Принцип действия МОП транзистора основан на модуляции тока с помощью электростатического эффекта поля (рис. 2.3). Положительный заряд на металлическом (или сильнолегированном поликремниевом) затворе (gate, G), образующийся там при приложении положительного потенциала, индуцирует в кремниевой подложке для определенности p-типа равное количество отрицательного заряда.
Рис. 2.3. Сечение n-канального МОП транзистора (n-МОПТ)
39
Последний состоит из слоя отрицательно заряженных акцепторов (обедненного основными носителями – дырками) и очень тонкого слоя подвижных электронов (инверсионный слой неосновных носителей), образующего проводящий канал между истоком и стоком. Ток в цепи транзистора ID (ток стока) течет между электро-
дами стока (drain, D) и истока (source, S) под воздействием электрического смещения, приложенного между ними VDS =VD −VS .
Проводимостью этого канала можно управлять, изменяя напряжение на затворе, приложенное, как правило, относительно заземленного истока VGS =VG −VS . Током в канале можно частично
управлять и с помощью электрического смещения на подложке, прикладывая полярность напряжения VBS =VB −VS < 0 так, чтобы
pn-переход исток-подложка смещался в обратную сторону. Типичный вид вольт-амперных характеристик n-канальных
МОПТ показан на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Вольт-амперные характеристики n-МОПТ: (а) выходные ВАХ ID (VD ) при фиксированных VGS ; (б) передаточные ВАХ ID (VGS )
при фиксированных VDS
Электронный ток в цепи стока n-МОПТ в закрытом состоянии IOFF , т.е. при затворных напряжениях, меньших некоего порогово-
го значения VGS <VT , очень мал (~ 10-11 …10-8 A). В открытом состоянии (VGS >VT ) ток составляетION ~ 1 мА, что обеспечивает ди-
намический диапазон изменения тока ION 
IOFF около 5-8 порядков.
Транзистор с p-каналом на n-Si подложке (p-МОПТ) имеет дырочную проводимость канала, и его проводимость уменьшается при увеличении положительного напряжения на затворе. Эта дополни-
40
тельность типов проводимости дает возможность построить т.н. комплементарную МОП (КМОП) логику (CMOS).
Рис. 2.5. Электрическая схема КМОП инвертора
На рис. 2.5 представлена схемотехническая реализация логической функции НЕ (инвертора) на основе КМОП технологии, использующей одновременно транзисторы двух типов. Увеличивая напряжение на входе (затворах транзисторов обоих типов), мы одновременно увеличиваем проводимость n-МОПТ и уменьшаем проводимость p-МОПТ. Благодаря этому передаточная характеристика инвертора оказывается в наибольшей степени близкой к идеальной ступеньке, что обеспечивает малое энергопотребление и доминирование схем КМОП технологии над схемами n/p-МОП и биполярной технологии.
Рис. 2.6. Сечение объемной КМОП технологии с n-карманом
Технологическая реализация интегрального КМОП инвертора показана на рис. 2.6.
41