CMOS（互補金屬氧化物半導體）是現代晶片的主要技術，因為它結合了NMOS與PMOS電晶體，以減少功耗浪費。它支援處理器、記憶體、感測器及無線裝置中的數位、類比及混合訊號電路。本文提供有關CMOS運作、製造步驟、擴展、功耗、可靠性及應用的資訊。
CMOS 技術基礎
互補金屬氧化物半導體（CMOS）是現代積體電路的主要技術。它使用兩種電晶體，分別是 NMOS（n 通道 MOSFET）和 PMOS（p 通道 MOSFET），排列方式是當一個導通時，另一個關閉。這種互補的動作有助於減少正常運作時的電力浪費。
CMOS 使得在一小塊矽片上放置大量電晶體成為可能，同時保持功耗和熱量在可控範圍內。因此，CMOS 技術被廣泛應用於數位、類比及混合訊號電路，涵蓋許多現代電子系統，從處理器、記憶體到感測器及無線晶片皆有應用。
MOSFET元件作為CMOS技術的核心
在CMOS技術中，MOSFET（金屬氧化物半導體場效電晶體）是基本的電子開關。它建基於矽晶圓，主要有四個部分：源極、漏極、閘極，以及源極與漏極之間的通道。閘極位於一層非常薄的絕緣層上，稱為閘極氧化層，將閘極與通道隔開。
當閘極施加電壓時，通道中的電荷會改變。這要麼允許電流在源極與漏極之間流動，要麼停止電流。在NMOS電晶體中，電流由電子攜帶。在 PMOS 電晶體中，電流是透過電洞傳遞的。透過在不同區域（稱為井）形成 NMOS 與 PMOS 電晶體，CMOS 技術可將兩種電晶體置於同一晶片上。
數位電路中的CMOS邏輯操作
• CMOS 邏輯使用 NMOS 與 PMOS 電晶體對來構建基本邏輯閘。
• 最簡單的 CMOS 閘是反相器，它會將訊號翻轉：當輸入為 0 時，輸出為 1;當輸入為1時，輸出為0。
• 在CMOS反相器中，當輸入為低電平時，PMOS電晶體會將輸出連接到正電源。
• NMOS 電晶體在輸入為高電平時將輸出接地。
• 正常運作時，一次只有一條路徑（無論是供電或接地）開啟，因此靜態電力消耗保持非常低。
• 更複雜的 CMOS 閘，如 NAND 與 NOR，是透過串聯與並聯連接多個 NMOS 與 PMOS 電晶體來產生。
CMOS vs NMOS vs TTL：邏輯族比較
| 特色 | CMOS | NMOS | TTL（雙極性） |
|---|---|---|---|
| 靜態電源（閒置） | 非常低 | 中等 | 高 |
| 動態動力 | 同一函數 | 更高 | 高速 |
| 供電電壓範圍 | 在低電壓下效果良好 | 更有限 | 通常固定在 5 V |
| 積分密度 | 非常高 | 下方 | 與CMOS相比，低 |
| 現今典型用途 | 現代晶片的主要選擇 | 多為較舊或特殊電路 | 多為較舊或特殊電路 |
CMOS 晶片製造製程
• 從乾淨且高品質的矽晶圓作為 CMOS 晶片的基礎開始。
• 形成n阱與p阱區域，製造NMOS與PMOS電晶體。
• 在晶圓表面生長或沉積一層薄的閘極氧化層。
• 沉積並圖案化閘極材料以製作電晶體閘極。
• 在源極與漏極區域植入適合 NMOS 與 PMOS 電晶體的正確摻雜元件。
• 建造隔離結構，使鄰近的電晶體不會互相影響。
• 沉積絕緣層與金屬層，將電晶體連接成工作電路。
• 增加更多金屬層及稱為通孔的小型垂直連結，以將訊號導向晶片。
• 以保護性鈍化層完成，然後將晶圓切割成獨立晶片，封裝並進行測試。
CMOS 中的技術擴展
隨著時間推移，CMOS 技術已從微米級特徵擴展到奈米級特徵。隨著電晶體越來越小，能在同一晶片區域容納更多電晶體。較小的電晶體也能更快切換，且通常能以較低的供電電壓運作，這不僅提升效能，也降低每次運算的能量。但CMOS裝置縮小也帶來挑戰：
• 非常小的電晶體可能會漏出更多電流，增加待機功率。
• 短通道效果使電晶體更難控制。
• 製程差異使電晶體參數在不同裝置間差異更大。
為了解決這些問題，採用了更新的電晶體結構，如FinFET（晶體管）和全環閘元件，並配合現代CMOS技術中更先進的製程步驟和更嚴格的設計規則。
CMOS 電路中的功耗類型
| 力量類型 | 當它發生 | 主要原因 | 簡單效應 |
|---|---|---|---|
| 動態動力 | 當號誌在0與1之間切換時 | 充電與放電微小電容器 | 隨著切換和時鐘提升，數量會增加 |
| 短路電源 | 在閘切換期間的短暫時間內 | NMOS 和 PMOS 部分同時啟用 | 變更期間使用的額外電力 |
| 洩漏功率 | 即使訊號沒有切換 | 小電流流經電晶體 | 在非常小的尺寸下變得基本 |
CMOS 技術的失效機制
CMOS 裝置可能因鎖存、靜電故障損壞、長期老化及金屬互連磨損而失效。鎖存發生於晶片內寄生的PNPN路徑通電，並在VCC與接地間形成低阻抗連接;強力的井口接觸點、護圈和適當的佈局間距有助於抑制它。當快速電壓尖峰撞擊腳位時，ESD（靜電放電）可能會穿透薄的閘極氧化層和接面，因此輸入輸出焊盤通常包含專用的夾具和基於二極體的保護網路。隨著時間推移，BTI和熱載流注入電晶體參數移位，以及過高的電流密度，都可能觸發電遷移，削弱或破壞金屬線路。
CMOS 技術的數位建構單元
• 基本邏輯閘如反相器、NAND、NOR 與 XOR 皆由 CMOS 電晶體構成。
• 像鎖扣和觸發器這類連續元件用來儲存並更新數位資料的位元。
• 資料路徑區塊，包括加法器、多工器、移位器和計數器，是透過結合多個 CMOS 閘形成的。
• 記憶體區塊如 SRAM 單元被分組成陣列，用於小型片上儲存。
• 標準單元是預先設計的 CMOS 邏輯模組，數位工具可在晶片間重複使用。
• 大型數位系統，包括 CPU、控制器及客製化加速器，透過 CMOS 技術將多個標準單元與記憶體區塊連結而成。
CMOS 技術中的類比與射頻電路
CMOS 技術不限於數位邏輯。它也可以用來建立能處理連續訊號的類比電路：
• 放大器、比較器及電壓參考等模組由 CMOS 電晶體與被動元件組成。
• 這些電路有助於在數位處理前後感知、塑造及控制訊號。
CMOS 也能支援射頻（RF）電路：
• 低雜訊放大器、混頻器與振盪器可採用與數位邏輯相同的CMOS製程實現。
• 當類比、射頻與數位模組結合於一晶片時，CMOS 技術使混合訊號或射頻系統單晶片解決方案成為可能，能在單一晶片上同時處理訊號處理與通訊。
CMOS 技術的應用
| 應用領域 | 主要CMOS角色 | 範例裝置 |
|---|---|---|
| 處理器 | 數位邏輯與控制 | 應用處理器、微控制器 |
| 記憶 | 使用 SRAM、快閃記憶體等資料儲存 | 快取記憶體、嵌入式快閃記憶體 |
| 影像感測器 | 主動像素陣列與讀出電路 | 智慧型手機相機、網路攝影機 |
| 類比介面 | 放大器、ADC 與 DAC | 感測器介面、音訊編解碼器 |
| 射頻與無線 | 射頻前端與本地振盪器 | Wi-Fi、藍牙、行動通訊器 |
結論
CMOS 支援現代積體電路中高電晶體密度、低靜態功率及快速切換。它能建構邏輯閘、記憶體區塊及大型數位系統，同時支援同一晶片上的類比與射頻電路。隨著縮放性持續，漏電、短通道效應及元件變化增加，因此採用更新結構如 FinFET 與全環閘。
常見問題 [常見問題]
n阱、p阱和雙阱CMOS有什麼差別？
n阱在n阱中建構PMOS，p阱在p阱中建NMOS，而雙阱則兩者皆用於更好地控制電晶體行為。
為什麼 CMOS 晶片使用多層金屬？
這樣可以連接更多訊號、減少路由壅塞，並提升晶片內的佈線效率。
CMOS 電晶體管中的體效應是什麼？
它是由源體與電晶體間電壓差所引起的閾值電壓變化。
CMOS 晶片中的解耦電容是什麼？
它們透過減少開關時的電壓降和雜訊來穩定電源供應器。
為什麼CMOS需要屏蔽和防護環？
以減少雜訊耦合，防止敏感與雜訊電路區域間的干擾。
CMOS 中 SRAM 與 DRAM 和快閃記憶體有何不同？
SRAM 速度快但體積較大，DRAM 較密集但需要刷新，快閃記憶體即使沒電源也能保存資料。