CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) adalah teknologi utama yang digunakan dalam chip modern karena menggunakan transistor NMOS dan PMOS bersama-sama untuk mengurangi daya yang terbuang. Ini mendukung sirkuit digital, analog, dan sinyal campuran dalam prosesor, memori, sensor, dan perangkat nirkabel. Artikel ini memberikan informasi tentang operasi CMOS, langkah fabrikasi, penskalaan, penggunaan daya, keandalan, dan aplikasi.
Dasar-dasar Teknologi CMOS
Komplementer Logam-Oksida-Semikonduktor (CMOS) adalah teknologi utama yang digunakan untuk membangun sirkuit terpadu modern. Ini menggunakan dua jenis transistor, NMOS (n-channel MOSFET) dan PMOS (p-channel MOSFET), disusun sedemikian rupa sehingga ketika yang satu menyala, yang lainnya mati. Tindakan pelengkap ini membantu mengurangi daya yang terbuang selama operasi normal.
CMOS memungkinkan untuk menempatkan sejumlah besar transistor pada sepotong kecil silikon sambil menjaga penggunaan daya dan panas pada tingkat yang dapat dikelola. Karena itu, teknologi CMOS digunakan dalam sirkuit digital, analog, dan sinyal campuran di banyak sistem elektronik modern, mulai dari prosesor dan memori hingga sensor dan chip nirkabel.
Perangkat MOSFET sebagai Inti Teknologi CMOS
Dalam teknologi CMOS, MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) adalah sakelar elektronik dasar. Ia dibina di atas wafer silikon dan mempunyai empat bahagian utama: sumber, longkang, gerbang, dan saluran antara sumber dan longkang. Gerbang itu berada di atas lapisan isolasi yang sangat tipis yang disebut gerbang oksida, yang memisahkannya dari saluran.
Ketika tegangan diterapkan ke gerbang, itu mengubah muatan di saluran. Ini memungkinkan arus mengalir antara sumber dan saluran pembuangan atau menghentikannya. Dalam transistor NMOS, arus dibawa oleh elektron. Dalam transistor PMOS, arus terbawa oleh lubang. Dengan membentuk transistor NMOS dan PMOS di wilayah berbeda yang disebut sumur, teknologi CMOS dapat menempatkan kedua jenis transistor pada chip yang sama.
Operasi Logika CMOS di Sirkuit Digital
• Logika CMOS menggunakan pasangan transistor NMOS dan PMOS untuk membangun gerbang logika dasar.
• Gerbang CMOS paling sederhana adalah inverter, yang membalik sinyal: ketika inputnya 0, outputnya adalah 1; Ketika inputnya adalah 1, outputnya adalah 0.
• Dalam inverter CMOS, transistor PMOS menghubungkan output ke suplai positif saat input rendah.
• Transistor NMOS menghubungkan output ke ground saat input tinggi.
• Dalam pengoperasian normal, hanya satu jalur (baik ke suplai atau ke ground) yang menyala pada satu waktu, sehingga penggunaan daya statis tetap sangat rendah.
• Gerbang CMOS yang lebih kompleks, seperti NAND dan NOR, dibuat dengan menghubungkan beberapa transistor NMOS dan PMOS secara seri dan paralel.
CMOS vs NMOS vs TTL: Perbandingan Keluarga Logika
| Fitur | CMOS | NMOS | TTL (Bipolar) |
|---|---|---|---|
| Daya statis (idle) | Sangat rendah | Sedang | Tinggi |
| Kekuatan dinamis | Rendah untuk fungsi yang sama | Lebih tinggi | Tinggi dengan kecepatan tinggi |
| Rentang tegangan suplai | Bekerja dengan baik pada tegangan rendah | Lebih terbatas | Sering diperbaiki sekitar 5 V |
| Kepadatan integrasi | Sangat tinggi | Lebih rendah | Rendah dibandingkan dengan CMOS |
| Penggunaan umum saat ini | Pilihan utama dalam keripik modern | Sebagian besar sirkuit lama atau khusus | Sebagian besar sirkuit lama atau khusus |
Proses Fabrikasi Chip CMOS
• Mulailah dengan wafer silikon yang bersih dan berkualitas tinggi sebagai dasar untuk chip CMOS.
• Bentuk wilayah n-well dan p-well di mana transistor NMOS dan PMOS akan dibuat.
• Tumbuhkan atau simpan lapisan oksida gerbang nipis di permukaan wafer.
• Simpan dan pola bahan gerbang untuk membuat gerbang transistor.
• Tanamkan daerah sumber dan pembuangan dengan dopan yang benar untuk transistor NMOS dan PMOS.
• Bangun struktur isolasi sehingga transistor di dekatnya tidak saling mempengaruhi.
• Simpan lapisan isolasi dan lapisan logam untuk menghubungkan transistor ke dalam sirkuit kerja.
• Tambahkan lebih banyak lapisan logam dan tautan vertikal kecil yang disebut vias untuk merutekan sinyal melintasi chip.
• Selesaikan dengan lapisan pasivasi pelindung, lalu potong wafer menjadi chip terpisah, bungkus, dan uji.
Penskalaan Teknologi di CMOS
Seiring waktu, teknologi CMOS telah beralih dari fitur berukuran mikrometer ke fitur berukuran nanometer. Saat transistor semakin kecil, lebih banyak dari mereka yang dapat muat di area chip yang sama. Transistor yang lebih kecil juga dapat beralih lebih cepat dan seringkali dapat berjalan pada tegangan suplai yang lebih rendah, yang meningkatkan kinerja sekaligus mengurangi energi per operasi. Tetapi menyusutnya perangkat CMOS juga membawa tantangan:
• Transistor yang sangat kecil dapat membocorkan lebih banyak arus, meningkatkan daya siaga.
• Efek saluran pendek membuat transistor lebih sulit dikendalikan.
• Variasi proses menyebabkan parameter transistor lebih bervariasi dari satu perangkat ke perangkat lainnya.
Untuk mengatasi masalah ini, struktur transistor yang lebih baru seperti FinFET dan perangkat gerbang serba bisa digunakan, bersama dengan langkah-langkah proses yang lebih canggih dan aturan desain yang lebih ketat dalam teknologi CMOS modern.
Jenis Konsumsi Daya di Sirkuit CMOS
| Jenis Daya | Ketika Itu Terjadi | Penyebab Utama | Efek Sederhana |
|---|---|---|---|
| Kekuatan dinamis | Saat sinyal beralih antara 0 dan 1 | Mengisi dan mengosongkan kapasitor kecil | Meningkat saat beralih dan jam naik |
| Daya hubung singkat | Untuk waktu yang singkat, saat gerbang beralih | NMOS dan PMOS sebagian bersama-sama | Daya ekstra yang digunakan selama perubahan |
| Daya kebocoran | Bahkan ketika sinyal tidak beralih | Arus kecil yang mengalir melalui transistor | Menjadi dasar pada ukuran yang sangat kecil |
Mekanisme Kegagalan dalam Teknologi CMOS
Perangkat CMOS dapat gagal melalui penguncian, kerusakan ESD, penuaan jangka panjang, dan keausan interkoneksi logam. Latch-up terjadi ketika jalur PNPN parasit di dalam chip menyala dan membuat koneksi resistansi rendah antara VCC dan ground; kontak sumur yang kuat, cincin pelindung, dan jarak tata letak yang memadai membantu menekannya. ESD (pelepasan elektrostatik) dapat menembus oksida gerbang tipis dan persimpangan ketika lonjakan tegangan cepat mengenai pin, jadi bantalan I/O biasanya menyertakan klem khusus dan jaringan perlindungan berbasis dioda. Seiring waktu, parameter transistor pergeseran injeksi BTI dan pembawa panas, dan kepadatan arus yang berlebihan dapat memicu elektromigrasi yang melemahkan atau memutus garis logam.
Blok Bangunan Digital dalam Teknologi CMOS
• Gerbang logika dasar seperti inverter, NAND, NOR, dan XOR dibangun dari transistor CMOS.
• Elemen berurutan seperti kait dan sandal jepit menyimpan dan memperbarui bit data digital.
• Blok jalur data, termasuk adder, multiplexer, shifter, dan counter, dibentuk dengan menggabungkan banyak gerbang CMOS.
• Blok memori seperti sel SRAM dikelompokkan ke dalam array untuk penyimpanan on-chip kecil.
• Sel standar adalah blok logika CMOS yang telah dirancang sebelumnya yang digunakan kembali oleh alat digital di seluruh chip.
• Sistem digital besar, termasuk CPU, pengontrol, dan akselerator khusus, dibuat dengan menghubungkan banyak sel standar dan blok memori bersama-sama dalam teknologi CMOS.
Sirkuit Analog dan RF dalam Teknologi CMOS
Teknologi CMOS tidak terbatas pada logika digital. Ini juga dapat digunakan untuk membangun sirkuit analog yang bekerja dengan sinyal kontinu:
• Blok seperti amplifier, komparator, dan referensi tegangan terbuat dari transistor CMOS dan komponen pasif.
• Sirkuit ini membantu merasakan, membentuk, dan mengontrol sinyal sebelum atau sesudah pemrosesan digital.
CMOS juga dapat mendukung sirkuit RF (frekuensi radio):
• Amplifier, mixer, dan osilator dengan kebisingan rendah dapat diimplementasikan dalam proses CMOS yang sama yang digunakan untuk logika digital.
• Ketika blok analog, RF, dan digital digabungkan dalam satu chip, teknologi CMOS memungkinkan solusi system-on-chip sinyal campuran atau RF yang menangani pemrosesan sinyal dan komunikasi pada satu die.
Aplikasi Teknologi CMOS
| Area Aplikasi | Peran CMOS Utama | Contoh Perangkat |
|---|---|---|
| Prosesor | Logika dan kontrol digital | Prosesor aplikasi, mikrokontroler |
| Memori | Penyimpanan data menggunakan SRAM, flash, dan lainnya | Memori cache, flash tertanam |
| Sensor gambar | Array piksel aktif dan sirkuit pembacaan | Kamera smartphone, webcam |
| Antarmuka analog | Amplifier, ADC, dan DAC | Antarmuka sensor, codec audio |
| RF dan nirkabel | Front-end RF dan osilator lokal | Wi-Fi, Bluetooth, transceiver seluler |
Kesimpulan
CMOS mendukung kepadatan transistor tinggi, daya statis rendah, dan peralihan cepat di sirkuit terintegrasi modern. Ini membangun gerbang logika, blok memori, dan sistem digital besar, sementara juga mendukung sirkuit analog dan RF pada chip yang sama. Seiring berlanjutnya penskalaan, kebocoran, efek saluran pendek, dan variasi perangkat meningkat, sehingga struktur yang lebih baru seperti FinFET dan gate-all-around digunakan.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Apa perbedaan antara CMOS n-well, p-well, dan twin-well?
n-well membangun PMOS di n-well, p-well membangun NMOS di p-well, dan twin-well menggunakan keduanya untuk kontrol perilaku transistor yang lebih baik.
Mengapa chip CMOS menggunakan beberapa lapisan logam?
Untuk menghubungkan lebih banyak sinyal, mengurangi kemacetan perutean, dan meningkatkan efisiensi kabel di seluruh chip.
Apa efek tubuh dalam transistor CMOS?
Ini adalah perubahan tegangan ambang batas yang disebabkan oleh perbedaan tegangan antara sumber dan badan transistor.
Apa itu kapasitor decoupling dalam chip CMOS?
Mereka menstabilkan catu daya dengan mengurangi penurunan tegangan dan kebisingan selama beralih.
Mengapa CMOS membutuhkan cincin pelindung dan pelindung?
Untuk mengurangi kopling kebisingan dan mencegah interferensi antara area sirkuit sensitif dan bising.
Apa perbedaan SRAM dengan DRAM dan flash di CMOS?
SRAM cepat tetapi berukuran lebih besar, DRAM lebih padat tetapi perlu disegarkan, dan flash menyimpan data bahkan tanpa daya.