CMOS

Yarı iletken aygıt üretimi
MOSFET ölçeklemesi (üretim süreçleri)
020 µm – 1968 010 µm – 1971 006 µm – 1974 003 µm – 1977  1,5 µm – 1981 001 µm – 1984 800 nm – 1987 600 nm – 1990 350 nm – 1995 250 nm – 1997 180 nm – 1999 130 nm – 2001 090 nm – 2003 065 nm – 2005 045 nm – 2007 032 nm – 2009 028 nm – 2010 022 nm – 2012 014 nm – 2014 010 nm – 2016 007 nm – 2018 005 nm – 2020 003 nm – 2022 002 nm – 2025
Gelecek
1 nm ~ 2027
İlgili
Devre küçültme Transistör sayısı CMOS Yarı iletken cihaz Moore yasası Yarı iletken Yarı iletken sanayii Mikroelektronik Nanoelektronik
g t d

CMOS (İngilizce: Complementary Metal Oxide Semiconductor; Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken), bir tümleşik devre üretim teknolojisidir.

N-tipi ve P-tipi olarak adlandırılan NMOS ve PMOS transistorların aynı tümdevre üzerinde gerçeklenmesine olanak tanır. Genel olarak günümüzde kullanılan sayısal (dijital) devrelerin neredeyse tamamı (örneğin mikroişlemciler) CMOS teknolojisi ile üretilir. Bu teknolojinin yaygın olarak kullanılmasının nedeni, bu teknolojinin birim silisyum alanda en fazla transistor gerçeklenmesini olanaklı kılması, gerçeklenen devre açık durumda fakat işlem yapmazken neredeyse güç tüketmemesi gibi önemli özelliklerdir. Böylece elektronik endüstrisinin temel taleplerinden olan düşük maliyet ve düşük güç tüketimi (uzun pil ömrü) sağlanmış olur. Teknolojinin adı, kapıların biri n kanallı biri p kanallı, birbirini tümleyen iki transistör kümesinden kurulmasından gelir; bu yapı çıkışı bir yandan besleme gerilimine, öbür yandan toprağa bağlayan iki ağ oluşturur ve durağan durumda ikisinden yalnız biri iletimde olur.

Tümleyici bir CMOS kapısı iki ağdan oluşur: çıkışı toprağa bağlayan n kanallı transistörler ile çıkışı beslemeye bağlayan p kanallı transistörler. n kanallı transistörler 0 düzeyini, p kanallı transistörler 1 düzeyini iyi geçirdiği için ağlar bu biçimde bölüştürülür ve doğru çalışan bir kapıda her an ağlardan yalnız biri iletimde olur. En yalın örnek eviricidir: girişi alçakken p kanallı transistör çıkışı beslemeye, yüksekken n kanallı transistör çıkışı toprağa çeker.

Ağların içinde transistörlerin seri bağlanması VE, koşut bağlanması VEYA işlevini verir. İki girişli bir VE DEĞİL kapısında iki n kanallı transistör seri, iki p kanallı transistör koşut bağlanır; VEYA DEĞİL kapısında düzen bunun tersidir. Seri ile koşut yapılar birleştirilerek bileşik kapılar kurulur ve karmaşık bir işlev tek katta gerçeklenebilir.

Bu yapı doğası gereği evirir. VE DEĞİL, VEYA DEĞİL ve dışlayan VEYA DEĞİL gibi çıkışı evrik işlevler tek katta kurulur; VE, VEYA gibi evirmeyen işlevler için ardına bir evirici katı eklenir. Kapıların bu özelliği, sayısal tasarımda VE ile VEYA yerine VE DEĞİL ve VEYA DEĞİL kapılarının yeğlenmesinin nedenidir.

Bir kapının durağan davranışı, çıkış geriliminin giriş gerilimine göre değişimini veren gerilim geçiş eğrisiyle anlatılır; eğrinin çıkış ile girişin eşit olduğu noktadaki değeri kapının anahtarlama eşiğidir ve transistörün eşik geriliminden ayrı bir büyüklüktür. Eşiğin besleme geriliminin ortasında durması alçak ve yüksek düzeylerin gürültü paylarını eşitlediği için yeğlenir; eşik, p kanallı transistörün n kanallıya oranı değiştirilerek kaydırılabilir.

Tümleyici yapının iki önemli sonucu vardır. Çıkış düzeyleri besleme gerilimine ve toprağa tam eşittir, transistörlerin göreli ölçülerine bağlı değildir; bu yüzden kapıya oransız denir. Zayıflamış bir işaret kapı zincirinden geçtikçe anma düzeylerine yaklaşır, bu özelliğe yenileyicilik denir. Buna karşılık yalnız tek transistörlü anahtarlarla kurulan devreler çıkışı yenilemez ve düzeyleri kat kat zayıflatır.

Durağan CMOS kapısı beklerken güç harcamaz; iki ağdan yalnız biri iletimde olduğu için besleme ile toprak arasında sürekli akım yolu bulunmaz. Güç, çoğunlukla çıkış düğümünün sığasının her anahtarlamada doldurulup boşaltılmasıyla harcanır; harcanan güç sığa, besleme geriliminin karesi ve anahtarlama sıklığıyla orantılıdır. Kapıların her saat çevriminde anahtarlanmaması, bu sıklığın bir etkinlik çarpanıyla ölçeklenmesiyle hesaba katılır.

Boyutlar küçüldükçe transistörlerin kapalıyken geçirdiği sızıntı akımı büyümüş ve durağan güç, yüksek başarımlı yongalarda devingen güçle karşılaştırılabilir düzeye çıkmıştır. Bu nedenle çağdaş tasarımlarda sızıntıyı azaltan yöntemler, güç yönetiminin ayrı bir başlığı hâline gelmiştir.

Kapı gecikmesi, sürülen yük ile kapının kendi yapısına bağlıdır. Mantıksal çaba yönteminde eviricinin çabası tanım gereği 1 alınır; giriş sayısı arttıkça ve seri yığın uzadıkça çaba büyür, bu yüzden VE DEĞİL kapısının çabası aynı giriş sayısındaki VEYA DEĞİL kapısınınkinden küçüktür. Dört özdeş eviriciyi süren bir eviricinin gecikmesine FO4 gecikmesi denir ve yol gecikmeleri çoğu zaman bu birimle anlatılır; bir üretim teknolojisinde bu süre, pikosaniye cinsinden, kanal uzunluğunun nanometre cinsinden değerinin üçte biri ile yarısı arasında çıkar.

Tümleyici yapı, aynı altlık üzerinde hem n hem p kanallı transistör bulunmasını gerektirir. Bunun için altlığın içine ters katkılı bölgeler, kuyular açılır: n kuyulu, p kuyulu, ikiz kuyulu ve üçlü kuyulu süreçler bu yolla adlandırılır. Çoğu CMOS sürecinde ilk adım kuyu bölgelerinin tanımlanmasıdır. Kusuru az bir yüzey elde etmek ve kilitlenmeyi önlemek için altlığın üstüne örgüsel büyütmeyle ince bir silisyum katmanı da eklenebilir.

Yaygın süreçlerin bir türevinde transistörler, altlığın üstüne serilmiş ince bir yalıtkan katmanın üzerine kurulur. Yalıtkan üzerine silisyum denen bu düzende asalak çift kutuplu yapılar bulunmadığı için kilitlenme görülmez ve eklem sığaları küçülür.

Transistör boyutlarının küçültülmesi bu teknolojinin gelişme çizgisini belirler. Klasik kuralda bütün ölçüler, kanal uzunluğu, kanal genişliği ve kapı oksidinin kalınlığı aynı çarpanla küçültülür ve besleme gerilimi de aynı oranda düşürülür; buna sabit alan ölçeklemesi denir. Sanayi, üretim kuşaklarını birim alana sığan transistör sayısını iki katına çıkaran bir çarpanla ilerletir.

Kural bir dönem bilerek bozuldu: ölçüler 6 µm'den 1 µm'ye inerken besleme gerilimi 5 V'ta tutuldu ve bu döneme sabit gerilim ölçeklemesi dendi. İdeal sabit alan ölçeklemesinde kapı gecikmesi de aynı çarpanla küçülür. Gerilim ölçeklemesi durunca bu kazanç yavaşladı ve kapalı transistörün geçirdiği sızıntı akımı belirleyici hâle geldi. Ölçeklemenin kuralları ve sınırları Dennard ölçeklemesi maddesinde ele alınır.

CMOS süreçlerinin ilk yıllarda yavaş benimsenmesinin bir nedeni, yongalarda besleme ile toprak arasında düşük dirençli bir yol oluşup devrenin kalıcı olarak bozulmasıydı; bu olaya kilitlenme denir. Olayın kaynağı, eviricinin kesitinde ortaya çıkan asalak çift kutuplu transistör çiftidir. Yalıtkan üzerine silisyum süreçlerinde böyle asalak yapılar bulunmadığı için kilitlenme görülmez; besleme gerilimi yeterince düşük tutulan süreçler de bu olaydan etkilenmez. Kilitlenme özellikle uç bacaklarının yakınında, besleme geriliminin üstüne çıkan ya da toprağın altına inen gerilim sıçramalarında görülür.

Tümleyici yapı tek seçenek değildir. Geçiş kapısı, bir n ve bir p kanallı transistörün koşut bağlanmasıyla kurulur ve iki yönlü bir anahtar gibi çalışır; iki transistörle kurulduğu için küçüktür, buna karşılık çıkışı yenilemez, bu yüzden ardına bir evirici konur. Dışlayan VEYA ve çoklayıcı gibi devrelerde bu yapı, tümleyici gerçeklemeden daha az transistörle sonuç verir.

Sözde-nMOS mantığında yavaş p kanallı yığının yerine hep iletimde duran tek bir zayıf p kanallı transistör konur; bu düzen yalnız koşut transistör kullanan VEYA DEĞİL gibi kapılarda verimlidir, karşılığında durağan güç harcar. Devingen mantık da benzer biçimde seri yığından kaçınır ve yüksek başarımlı tasarımlarda kullanılmayı sürdürür.

Sayısal tümleşik devrelerin neredeyse tamamı bu teknolojiyle üretilir: mikroişlemciler, bellekler ve tümleşik denetleyiciler bunların başında gelir. Teknolojinin adı sayısal devrelerin dışında da geçer; fotoğraf makineleri ile video kameralarında kullanılan görüntü algılayıcılarının bir türü aynı üretim süreciyle yapıldığı için CMOS algılayıcı diye anılır.

Belleklerde kapının kendisi değil, aynı tümleyici yapı kullanılır. Durağan rastgele erişimli belleğin temel yapı taşı altı transistörlü hücredir: çapraz bağlı iki evirici biti tutar, iki n kanallı erişim transistörü hücreyi bit hatlarına bağlar ve hücre, sözcük hattı yükseltilerek seçilir.

İlk MOS transistörlü mantık kapılarını 1963'te Fairchild'da çalışan Frank Wanlass tanımladı; kapılarında hem n hem p kanallı transistör kullandığı için yapıya tümleyici metal oksit yarı iletken adı verildi. Sayısal tümleşik devrelerde yaygınlaşması, kilitlenme sorununun çözülmesi ve üretim süreçlerinin olgunlaşmasıyla sonraki yıllarda oldu. Tümleşik devre ailelerinde teknolojinin izi bugün de görülür: 7400 ailesinin transistör-transistör mantığıyla üretilen yongalarının CMOS karşılıkları 74C adıyla, aynı bacak düzeniyle üretilmiştir.