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互补式金属氧化物半导体

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静态互补式金属氧化物半导体反相器

互补式金属氧化物半导体（英语：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩写作 CMOS；简称互补式金氧半导体），是一种积体电路的设计制程，可以在矽质晶圆模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性，因此被称为CMOS。此一般的制程上，可用来制作电脑电器的静态随机存取记忆体、微控制器、微处理器与其他数位逻辑电路系统、以及除此之外，经过一些不同的加工处理后，可以实现比较特别的技术特性，使它可以用于光学仪器上，例如互补式金氧半图像传感装置在一些高级数位相机中变得很常见，反而使得CMOS现在主要是感光元件的代名词。

互补式金属氧化物半导体具有只有在电晶体需要切换启动与关闭时才需消耗能量的优点，因此非常节省电力且发热量少，且制程上也是最基础而最常用的半导体元件。早期的唯读记忆体主要就是以这种电路制作的，由于当时电脑系统的BIOS程序和参数信息都保存在ROM和SRAM中，以致在很多情况下，当人们提到“CMOS”时，实际上指的是电脑系统之中的BIOS单元，而一般的“CMOS设置”就是意指在设定BIOS的内容。

单一CMOS电晶体的剖面结构

简介

所谓的“金属-氧化层-半导体”事实上是反映早期场效电晶体的闸极（gate electrode）是由一层金属覆盖在一层绝缘体材料（如二氧化矽）所形成，工作时透过电场将通道反转，形成通路，作为简单的开关。今日的金属氧化物半导体场效电晶体元件多已采用多晶矽作为其闸极的材料，但即使如此，“金氧半”（MOS）仍然被用在现在的元件与制程名称当中。

在今日，当CMOS被使用来作数位影像器材的感光元件使用，称主动像素感测器（Active Pixel Sensor）， 例如高解析度数位摄影机与数位相机，尤其是片幅规格较大的数码单反相机更常见到CMOS的应用， 另外消费型数位相机及附有照相功能的手机亦开始使用堆叠式主动像素感测器（Stacked CMOS，也有人译为积层式主动像素感测器或堆栈式主动像素感测器） 或背面照射式主动像素感测器(BSI CMOS)，使成像质量得以提升。 跟传统的电荷耦合元件(CCD)相比，由于CMOS每粒像素都设有放大器，所以数据传输速度很高。 虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为韧体或计算工具的用途非常不同， 但基本上它仍然是采取CMOS的制程，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过晶片上的数位─类比转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数位讯号输出。

CMOSens：微机电（MEMS）的感应元件和CMOS的讯号处理电路整合在单一晶片。

发展历史

1963年，快捷半导体的Frank Wanlass发明了互补式金属氧化物半导体电路。到了1968年，美国无线电公司一个由亚伯·梅德温（Albert Medwin）领导的研究团队成功研发出第一个互补式金属氧化物半导体积体电路。早期的CMOS元件虽然功率消耗比常见的电晶体-电晶体逻辑电路要来得低，但是因为操作速度较慢的缘故，所以大多数应用互补式金属氧化物半导体的场合都和降低功耗、延长电池使用时间有关，例如电子表。不过经过长期的研究与改良，今日的互补式金属氧化物半导体元件无论在使用的面积、操作的速度、耗损的功率，以及制造的成本上都比另外一种主流的半导体制程BJT（Bipolar Junction Transistor，双载子电晶体）要有优势，很多在BJT无法实现或是实作成本太高的设计，利用互补式金属氧化物半导体皆可顺利的完成。只要有任何开发进入到半导体的制程，往往都可以压低成本。

早期分离式互补式金属氧化物半导体逻辑元件只有“4000系列”一种（RCA 'COS/MOS'制程），到了后来的“7400系列”时，很多逻辑晶片已经可以利用互补式金属氧化物半导体、NMOS，甚至是BiCMOS（双载子互补式金氧半）制程实现。

早期的互补式金属氧化物半导体元件和主要的竞争对手BJT相比，很容易受到静电放电的破坏。而新一代的互补式金属氧化物半导体晶片多半在输出入接脚（I/O pin）和电源及接地端具备ESD保护电路，以避免内部电路元件的闸极或是元件中的PN接面被ESD引起的大量电流烧毁。不过大多数晶片制造商仍然会特别警告使用者尽量使用防静电的措施来避免超过ESD保护电路能处理的能量破坏半导体元件，例如安装记忆体模组到个人电脑上时，通常会建议使用者配戴防静电手环之类的设备。

此外，早期的互补式金属氧化物半导体逻辑元件（如4000系列）的操作范围可由3伏特至18伏特的直流电压，所以互补式金属氧化物半导体元件的闸极使用铝做为材料。而多年来大多数使用互补式金属氧化物半导体制造的逻辑晶片也多半在TTL标准规格的5伏特底下操作，直到1990年后，有越来越多低功耗的需求与讯号规格出现，取代了虽然有著较简单的讯号介面、但是功耗与速度跟不上时代需求的TTL。此外，随著MOSFET元件的尺寸越做越小，闸极氧化层的厚度越来越薄，所能承受的闸极电压也越来越低，有些最新的互补式金属氧化物半导体制程甚至已经出现低于1伏特的操作电压。这些改变不但让CMOS晶片更进一步降低功率消耗，也让元件的性能越来越好。

近代的互补式金属氧化物半导体闸极多半使用多晶矽制作。和金属闸极比起来，多晶矽的优点在于对温度的忍受范围较大，使得制造过程中，离子布植（ion implantation）后的退火制程能更加成功。此外，更可以让在定义闸极区域时使用自我校准（self-align）的方式（不需要额外的光罩可以省下成本），这能让闸极的面积缩小，进一步降低杂散电容（stray capacitance）。2004年后，又有一些新的研究开始使用金属闸极，不过大部分的制程还是以多晶矽闸极为主。关于闸极结构的改良，还有很多研究集中在使用不同的闸极氧化层材料来取代二氧化矽，例如使用高介电系数介电材料（high-K dielectric），目的在于降低闸极漏电流（leakage current）。

与BIOS的联系和区别

CMOS与BIOS的关系

BIOS晶片是计算机上另一个重要的存储器，包含电脑开机时用于初始化硬体并载入操作系统的BIOS程式。之所以提到它，是因为CMOS晶片中保存着BIOS程序的设定值。

与BIOS的区别

CMOS晶片与BIOS晶片都是存储器。二者区别是，CMOS晶片为随机存储器，而BIOS晶片早期为只读存储器，包含BIOS程式，后来的BIOS晶片采用可擦写技术，最早的可擦写BIOS晶片需要用烧录器更新，后来的BIOS使用EEPROM晶片或Flash ROM晶片且出现了可用软体（如Award BIOS的AWDFLASH程式）更新BIOS的技术；CMOS晶片中存储的是BIOS设定，而BIOS晶片中存储的是BIOS程序。

技术细节

互补式金属氧化物半导体同时可指互补式金氧半元件及制程。在同样的功能需求下，互补式金属氧化物半导体制程所制造的积体电路享有功耗较低的优势，这也使得今日的积体电路产品大多是以互补式金属氧化物半导体制造。

相互竞争的技术

近年来，利用互补金氧半导体的制程，已能制造实用的主动像素感测器（Active Pixel Sensor）。CMOS是所有矽晶片制作的主流技术，CMOS感光元件不但造价低廉，也能将讯号处理电路整合在同一部装置上。后一特性有助于滤除背景杂讯，因为CMOS比CCD更容易受杂讯干扰。这部分的困扰现时已渐渐解决，这要归功于使用个别像素的低阶放大器取代用于整片CCD阵列的单一高阶放大器。CMOS感光元件跟CCD相比，耗电量较低，数据传输亦较快。于高解析度数位摄影机与数位相机，尤其是片幅规格较大的数位单眼相机更常见到CMOS的应用，另外消费型数位相机以及附有照相功能的手机亦开始使用背面照射式CMOS，使成像质量得以提升。CMOS于成像的技术日趋成熟下大幅普及，使CCD的占有率从2010年代起不断下降，全球最大的CCD生产商索尼更宣布于2017年停止生产CCD，但是高级相片扫描器以及军方器材仍然为CCD所垄断。

参考文献

延伸阅读

外部链接

维基共享资源上的相关多媒体资源：互补式金属氧化物半导体
  • CMOS gate description and interactive illustrations
  • LASI is a "general purpose" IC layout CAD tool. It is a free download and can be used as a layout tool for CMOS circuits.

参见

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