CMOS – תכנון וייצור מעגל משולב

מה זה CMOS?

CMOS ראשי תיבות של Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, מתייחס לסוג של טכנולוגיית מוליכים למחצה
המשמשת בתכנון וייצור של מעגלים משולבים, כולל מיקרו-מעבדים, שבבי זיכרון ורכיבים אלקטרוניים שונים אחרים.

טכנולוגיית CMOS נמצאת בשימוש באלקטרוניקה מודרנית בשל צריכת החשמל הנמוכה שלה
ותאימות לרמות גבוהות של אינטגרציה.

להלן כמה מאפיינים והיבטים מרכזיים של טכנולוגיית CMOS:

צריכת חשמל נמוכה: מעגלי CMOS צורכים מעט מאוד חשמל כשהם במצב סטטי,
מה שהופך אותם לחסכוניים באנרגיה ומתאימים למכשירים המופעלים על ידי סוללה.

לוגיקה משלימה: מעגלי CMOS משתמשים בזוגות משלימים של טרנזיסטורים (סוג n וסוג p)
כדי ליישם שערים לוגיים ופונקציות דיגיטליות אחרות.

כאשר טרנזיסטור אחד כבוי, השני פועל, מה שמפחית את צריכת החשמל וייצור החום.

חסינות גבוהה לרעש: טכנולוגיית CMOS מציעה חסינות טובה לרעש, מה שאומר שהיא פחות רגישה לרעשים
והפרעות חשמליות בהשוואה לטכנולוגיות אחרות כמו TTL (לוגיקה טרנזיסטורית-טרנזיסטורית).

אינטגרציה גבוהה: טכנולוגיית CMOS מאפשרת רמות גבוהות של אינטגרציה,
המאפשרת ייצור של IC מורכבים עם מיליוני או אפילו מיליארדי טרנזיסטורים על שבב בודד.

רב-תכליתית: טכנולוגיית CMOS היא רב-תכליתית וניתן להשתמש בה עבור יישומים דיגיטליים ואנלוגיים כאחד.

היא נמצאת בשימוש נפוץ במיקרו-מעבדים, שבבי זיכרון, חיישנים ורכיבים אלקטרוניים אחרים.

אמינות וגמישות: טכנולוגיית CMOS אמינה וניתן להקטין אותה לגדלי תכונה קטנים יותר,
מה שמוביל לביצועים משופרים ולצפיפות טרנזיסטור מוגברת לאורך זמן.

טרנזיסטורים קטנים יותר צורכים  פחות חשמל.

תהליך ייצור: CMOS IC מיוצרים באמצעות תהליך ייצור מוליכים למחצה ספציפי הכולל הנחת שכבות דקות
של חומרים שונים על פרוסת סיליקון.

שכבות אלו מעוצבות ונחרטו כדי ליצור את הטרנזיסטורים והחיבורים ההדדיים על השבב.

טכנולוגיית CMOS הפכה לבחירה הדומיננטית לייצור מעגלים משולבים דיגיטליים בשל יעילות ההספק שלה ומדרגיות.

היא ממלאת תפקיד מכריע באלקטרוניקה מודרנית, ומפעילה מגוון רחב של מכשירים, מסמארטפונים ומחשבים
ועד למערכות רכב ומכשירי IoT.

מי צריך CMOS?

טכנולוגיית CMOS משמשת במגוון רחב של מכשירים ויישומים אלקטרוניים בתעשיות שונות.

הנה כמה דוגמאות למי שזקוק לטכנולוגיית CMOS:

מוצרי אלקטרוניקה: CMOS משמשת בסמארטפונים, טאבלטים, מצלמות דיגיטליות, טלוויזיות, קונסולות משחקים
ומכשירים אלקטרוניים רבים אחרים.

היא מאפשרת עיבוד יעיל של אותות דיגיטליים, לכידת תמונה ופונקציונליות חיישן במוצרים אלה.

מחשוב: טכנולוגיית CMOS חיונית למיקרו-מעבדים, שבבי זיכרון (נדיפים ולא נדיפים) ורכיבים אחרים במחשבים ובשרתים.

היא מאפשרת מחשוב בעל ביצועים גבוהים וחסכוני באנרגיה.

תקשורת: CMOS משמשת בציוד רשת, נתבים ומתגים לטיפול במשימות עיבוד נתונים ותקשורת.

היא נמצאת גם במכשירי תקשורת אלחוטיים כמו טלפונים סלולריים ונתבי Wi-Fi.

רכב: טכנולוגיית CMOS משמשת במערכות רכב שונות, כולל יחידות בקרת מנוע, מערכות מידע בידור,
מערכות מתקדמות לסיוע לנהג (ADAS), וחיישנים לפונקציות כמו סיוע בחניה והימנעות מהתנגשות.

יישומים תעשייתיים: טכנולוגיית CMOS נמצאת במערכות בקרה תעשייתיות, רובוטיקה וציוד ייצור.

היא מאפשרת שליטה ועיבוד נתונים מדויקים בהגדרות אלה.

מכשירים רפואיים: CMOS משמשת בציוד הדמיה רפואי (כגון גלאי רנטגן ומצלמות דיגיטליות עבור אנדוסקופים),
מכשירי ניטור (כמו מדי סוכר בדם), וחיישנים שונים המשמשים בתחום הבריאות.

IoT (האינטרנט של הדברים): טכנולוגיית CMOS חיונית עבור מכשירי IoT, מכיוון שהיא מספקת פתרונות בצריכת חשמל נמוכה,
קומפקטיות וחסכוניות עבור חיישנים וקישוריות בבתים חכמים, ערים חכמות ויישומי IoT תעשייתיים.

תעופה חלל והגנה: CMOS משמשת במערכות מכ”ם, מערכות תקשורת, אוויוניקה וטכנולוגיית לוויין
בשל האמינות והיכולות הגבוהות שלה.

מחקר מדעי: טכנולוגיית CMOS נמצאת בשימוש נרחב במכשירים מדעיים, כגון מצלמות דיגיטליות למיקרוסקופיה ואסטרונומיה,
כמו גם בגלאי חלקיקים וחיישנים עבור מערכי ניסוי שונים.

מערכות אבטחה: מצלמות וחיישני CMOS נמצאים בשימוש נפוץ במצלמות אבטחה, מערכות בקרת גישה וציוד מעקב.

טכנולוגיית CMOS נמצאת בכל מקום באלקטרוניקה המודרנית וממלאת תפקיד קריטי בהפעלת הפונקציונליות
והביצועים של מגוון רחב של מכשירים ויישומים בתעשיות שונות.

צריכת החשמל הנמוכה שלה, הרבגוניות ויכולת המדרגיות הופכים אותה לבחירה מועדפת עבור מערכות אלקטרוניות רבות.

איך עובדת טכנולוגיית CMOS?

טכנולוגיית CMOS פועלת על ידי שימוש בזוגות משלימים של טרנזיסטור אפקט שדה מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה (MOSFET)
כדי ליישם שערים לוגיים דיגיטליים ופונקציות אלקטרוניות אחרות.

טרנזיסטור CMOS מגיעים בשני סוגים: n-type (NMOS) ו-p-type (PMOS).

להלן סקירה כללית של אופן הפעולה של CMOS:

טרנזיסטור MOSFET: מעגלי CMOS בנויים באמצעות MOSFET, שהם התקני שלושה טרמינלים עם שער, מקור וניקוז.

ההתנהגות של MOSFET נשלטת על ידי המתח המופעל על מסוף השער שלו.

לוגיקה משלימה: שערים לוגיים של CMOS משתמשים בטרנזיסטורי NMOS ו-PMOS באופן משלים.

כאשר מתח מופעל על השער של טרנזיסטור NMOS, הוא מאפשר לזרם לזרום מהניקוז אל המקור (מצב ON),
בעוד הפעלת מתח על השער של טרנזיסטור PMOS מכבה אותו (מצב OFF).

לעומת זאת, הפעלת מתח על השער של טרנזיסטור PMOS מאפשרת לזרום לזרם מהמקור לניקוז (מצב ON),
בעוד הפעלת מתח על השער של טרנזיסטור NMOS מכבה אותו (מצב OFF).

שערים לוגיים: על ידי שילוב טרנזיסטורי NMOS ו-PMOS בתצורות שונות, ניתן ליצור סוגים שונים של שערים לוגיים,
כגון שערים AND, OR, NOT, NAND, NOR ו-XOR.

לדוגמה, שער AND ב-CMOS מורכב מסדרת טרנזיסטור NMOS המחובר לטרנזיסטור PMOS,
והמוצא שלו הוא ה-AND הלוגי של הכניסות שלו.

רמות לוגיות: ב-CMOS, רמות לוגיות מיוצגות על ידי שתי רמות מתח: רמת מתח גבוהה ( קרובה למתח האספקה, מסומן כ’1′)
ורמת מתח נמוכה ( קרובה לאדמה, מסומן כ’0′).

השערים הלוגיים מתוכננים לייצר את רמות המתח הללו ביציאות שלהם בהתבסס על אותות הכניסה.

צריכת חשמל: אחד היתרונות המרכזיים של טכנולוגיית CMOS הוא צריכת החשמל הנמוכה שלה.

כאשר שער CMOS נמצא במצב סטטי (כלומר, לא עובר), הוא שואב מעט מאוד חשמל מכיוון שאחד הטרנזיסטורים המשלימים כבוי,
ואין למעשה זרימת זרם בין ספק הכוח להארקה.

פעולת מיתוג: כאשר הכניסות לשער CMOS משתנות, הטרנזיסטורים המשלימים מחליפים מצבים,
מה שגורם לתקופה קצרה של זרימת זרם כשהם עוברים ממצב אחד לאחר.

זה ידוע בשם צריכת חשמל דינמית. עם זאת, פיזור הספק זה ממוזער בשל האופי המשלים של הטרנזיסטורים,
כאשר אחד נכבה ואילו השני נדלק.

פעולת מהפך: שער ה-CMOS הפשוט ביותר הוא המהפך, המורכב מטרנזיסטור NMOS אחד וטרנזיסטור PMOS אחד.

כאשר הקלט הוא ‘0’, הטרנזיסטור NMOS פועל, ומחבר את הפלט לאדמה (‘0’).

כאשר הקלט הוא ‘1’, הטרנזיסטור PMOS פועל, ומחבר את הפלט למתח האספקה ​​(‘1’).

על ידי שילוב של מספר שערי CMOS בתצורות שונות, ניתן ליצור מעגלים דיגיטליים מורכבים המבצעים מגוון רחב של פונקציות,
החל מפעולות אריתמטיות פשוטות ועד למשימות מתוחכמות יותר כמו אחסון זיכרון ועיבוד נתונים.

היעילות והמדרגיות של טכנולוגיית CMOS הפכו אותה לבחירה הדומיננטית לתכנון מעגלים משולבים באלקטרוניקה מודרנית.

יישום CMOS

יישום טכנולוגיית CMOS כרוך ביצירת שערים לוגיים דיגיטליים ופונקציות אלקטרוניות אחרות באמצעות זוגות משלימים
של טרנזיסטורי אפקט שדה מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה (MOSFETs).

להלן, השלבים הכרוכים ביישום שערים ומעגלים לוגיים של CMOS:

בחירת טרנזיסטורים: השלב הראשון ביישום CMOS הוא לבחור את הטרנזיסטורים NMOS (סוג n)
ו-PMOS (סוג p) המתאימים למעגל.

בחירת הטרנזיסטורים תלויה בדרישות הספציפיות של המעגל, כגון רמות מתח, מהירות וצריכת חשמל.

גודל טרנזיסטור: גודל טרנזיסטור הוא קריטי כדי להבטיח פעולה תקינה של המעגל.

יחס הרוחב-לאורך (W/L) של הטרנזיסטורים קובע את המאפיינים החשמליים שלהם, כולל מהירות וצריכת חשמל.

גודל המידה נעשה על סמך מפרטי הביצועים הרצויים של המעגל.

עיצוב פריסה: לאחר בחירת הטרנזיסטורים וגודלם, מתוכננת פריסה פיזית עבור מעגל ה-CMOS.

זה כרוך בסידור הטרנזיסטורים וחיבוריהם על גבי פרוסת סיליקון לפי הפונקציה הלוגית הרצויה.

עיצוב פריסה הוא משימה מיוחדת שלוקחת בחשבון גורמים כמו מיקום טרנזיסטורים,
ניתוב חוטים ומזעור קיבול והתנגדות טפיליים.

עיצוב שער לוגי: שערים לוגיים שונים (למשל, AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)
נוצרים על ידי חיבור טרנזיסטורי NMOS ו-PMOS בתצורות ספציפיות.

לדוגמה, שער AND מיושם על ידי טרנזיסטורי NMOS המחברים בסדרה וטרנזיסטורי PMOS המקבילים.

בחירת חיבורי הטרנזיסטור קובעת את התנהגות השער.

חיבורים: החיבורים בין הטרנזיסטורים והשערים נוצרים באמצעות שכבות מתכת או שכבות פוליסיליקון על פרוסת הסיליקון.

חיבורים אלה מבטיחים שהאותות מתפשטים בצורה נכונה דרך המעגל.

חשמל והארקה: אספקת חשמל וחיבורי הארקה נוצרו כדי לספק את רמות המתח הדרושות להפעלת הטרנזיסטורים.

מעגלי CMOS משתמשים בשני ספקי כוח: אחד עבור המתח החיובי (VDD) ואחד עבור האדמה (GND).

חיבורי כניסה ויציאה: אותות כניסה מחוברים לשערים המתאימים, ואותות פלט נלקחים מהנקודות הרצויות במעגל.

החיבורים מבטיחים שהשערים הלוגיים מגיבים נכון לאותות הכניסה ומייצרים את אותות המוצא הצפויים.

בדיקה ואימות: לאחר תכנון הפריסה הפיזית, מעגל ה-CMOS עובר בדיקה ואימות כדי להבטיח שהוא מתפקד כהלכה
בהתאם להתנהגות הלוגית המיועדת.

כלי סימולציה משמשים כדי לאמת את פעולת המעגל לפני ייצור.

ייצור: לאחר שתכנון מעגל ה-CMOS מסתיים ומאומת, הוא נשלח לייצור.

תהליך הייצור כולל הפקדה ועיצוב של שכבות דקות של חומרים על פרוסת סיליקון
ליצירת הטרנזיסטורים והחיבורים ההדדיים.

אריזה: לאחר הייצור, שבבי ה-CMOS הנפרדים נארזים במארזי מגן.

האריזה מספקת חיבורים חשמליים לעולם החיצון ומגינה על תבנית הסיליקון העדינה.

אינטגרציה: במערכות מורכבות יותר, שבבי CMOS משולבים עם רכיבים ותת-מערכות אחרים על לוח מעגלים מודפסים (PCB)
כדי ליצור התקן אלקטרוני שלם.

בדיקות ובקרת איכות: המכשירים הסופיים עוברים בדיקות מקיפות כדי לוודא שהם עומדים במפרטי האיכות והביצועים.

כל שבבים פגומים נזרקים בשלב זה.

טכנולוגיית CMOS משמשת ליצירת מגוון רחב של מעגלים דיגיטליים ואנלוגיים באלקטרוניקה מודרנית,
משערים לוגיים פשוטים ועד למיקרו-מעבדים מורכבים ושבבי זיכרון.

תהליך ההטמעה כולל עיצוב, פריסה וייצור קפדניים כדי להשיג את הפונקציונליות והביצועים הרצויים
תוך מזעור צריכת החשמל והבטחת אמינות.

עלויות CMOS

העלות של טכנולוגיית CMOS יכולה להשתנות באופן משמעותי בהתאם לגורמים שונים, כולל מורכבות המעגל המשולב,
תהליך ייצור המוליכים למחצה בשימוש, גודל פרוסת הסיליקון, מספר השבבים המיוצרים על רקיק בודד (תשואה), וביקוש בשוק.

הנה כמה גורמים מרכזיים שיכולים להשפיע על העלות של טכנולוגיית CMOS:

צומת תהליך: תעשיית המוליכים למחצה מקדמת ללא הרף את תהליכי הייצור שלה כדי ליצור טרנזיסטורים קטנים ויעילים יותר.

צמתי תהליך קטנים יותר (למשל, 7 ננומטר, 5 ננומטר) מביאים לעלויות ייצור גבוהות יותר
בשל המורכבות והדיוק הנדרשים בתהליך הייצור.

צמתי תהליך ישנים וגדולים יותר (למשל, 28 ננומטר, 65 ננומטר) חסכוניים יותר עבור יישומים מסוימים.

גודל קוביות: הגודל הפיזי של שבב ה-CMOS או הקובייה משפיע על עלויות הייצור.

שבבים גדולים יותר דורשים יותר חומר סיליקון, מה שיכול להגדיל את העלויות.

לעומת זאת, שבבים קטנים יותר מאפשרים לייצר יותר קוביות על רקיק בודד, מה שעלול להפחית את העלות לכל קובייה.

תשואה: תשואה מתייחסת לאחוז השבבים הפונקציונליים במלואם המיוצרים על פרוסות סיליקון.

תשואות גבוהות יותר מפחיתות את עלויות לשבב מכיוון שמתקבלים יותר שבבים שמישים מכל מחזור ייצור.

שיפור התפוקה הוא מיקוד קבוע בייצור מוליכים למחצה כדי להוזיל עלויות כוללות.

מורכבות: המורכבות של עיצוב מעגל CMOS משפיעה על עלויות הייצור.

מעגלים מורכבים יותר עם מספר גבוה יותר של טרנזיסטורים וקישורים דורשים תהליכי ייצור מורכבים יותר ואמצעי בקרת איכות,
מה שמגדיל את העלויות.

שכבות מסכה: ייצור CMOS כולל שכבות פוטומסכות מרובות המשמשות לדוגמא וחריטה של ​​חומרים שונים על פרוסת הסיליקון.

הוספת שכבות מסיכה נוספות כדי ליצור תכונות מורכבות או פונקציונליות נוספת יכולה להגדיל את עלויות הייצור.

נפח ייצור: יתרונות קנה מידה נכנסים לפעולה בייצור מוליכים למחצה.

נפחי ייצור גדולים יותר יכולים להוביל להפחתת עלויות לשבב עקב פיזור עלויות קבועות (למשל, הגדרת ציוד, ייצור מסכות)
על פני יותר יחידות.

מוצרים בנפח גבוה כמו מיקרו-מעבדים ושבבי זיכרון נוטים להיות בעלי עלויות נמוכות יותר ליחידה.

מחקר ופיתוח: פיתוח צמתי תהליכי CMOS חדשים או התאמה אישית של תהליכי ייצור עבור יישומים ספציפיים
כרוכים בעלויות מחקר ופיתוח משמעותיות.

ביקוש שוק: דינמיקת שוק, כולל היצע וביקוש, יכולה להשפיע על התמחור של שבבי CMOS.

ביקוש גבוה למוצרים או רכיבים מסוימים עלול להוביל למחירים גבוהים, בעוד שהיצע יתר עלול לגרום למחירים נמוכים.

רישוי טכנולוגיה: חלק מיצרני מוליכים למחצה מעניקים רישיונות לטכנולוגיית ה-CMOS שלהם לחברות אחרות.

התנאים של הסכמי רישוי אלה יכולים להשפיע על מבנה העלויות הכולל.

אריזה ובדיקה: עלות האריזה ובדיקת שבבי ה-CMOS לאחר הייצור היא שיקול נוסף.

עלויות אלו משתנות בהתאם לסוג החבילה המשמשת ולמורכבות הליכי הבדיקה.

חשוב לציין שטכנולוגיית CMOS הפכה לחסכונית יותר עם השנים, במיוחד ככל שתהליכי הייצור התקדמו,
והובילו לשבבים קטנים יותר וחסכוניים יותר בצריכת החשמל.

בנוסף, תחרות בין יצרני מוליכים למחצה מניעה חדשנות והפחתת עלויות בתעשייה.

העלות של טכנולוגיית CMOS יכולה להשתנות משמעותית מיישום אחד לאחר, והיא מושפעת משילוב של גורמים טכנולוגיים וכלכליים.

חברות ויצרנים לוקחים בחשבון את הגורמים הללו בעת קביעת התמחור של מוצרים מבוססי CMOS.

שאלות ותשובות בנושא CMOS

ש: מהם היתרונות העיקריים של טכנולוגיית CMOS? 

ת: כמה יתרונות מרכזיים של טכנולוגיית CMOS כוללים צריכת חשמל נמוכה, חסינות גבוהה לרעש,
צדדיות עבור יישומים דיגיטליים ואנלוגיים כאחד, יכולות אינטגרציה גבוהות ויכולת מדרגיות לגדלים קטנים יותר של תכונה.

ש: באילו סוגי מכשירים אלקטרוניים משתמשים  בטכנולוגיית CMOS? 

ת: טכנולוגיית CMOS משמשת במגוון רחב של מכשירים אלקטרוניים, כולל מיקרו-מעבדים, שבבי זיכרון, מצלמות דיגיטליות,
סמארטפונים, ציוד רשת, מערכות רכב, התקני IoT ועוד.

ש: מדוע טכנולוגיית CMOS מועדפת עבור מכשירים המופעלים על ידי סוללה? 

ת: CMOS מועדפת עבור מכשירים המופעלים על ידי סוללה בשל צריכת החשמל הנמוכה שלה במצב סטטי.

מאפיין זה עוזר להאריך את חיי הסוללה באלקטרוניקה ניידת.

ש: מה התפקיד של CMOS במכשירי IoT? 

ת: טכנולוגיית CMOS משמשת בהתקני IoT עבור חיישנים בהספק נמוך, יחידות עיבוד ומודולי תקשורת,
מה שהופך אותה למתאימה לפתרונות IoT חסכוניים וקומפקטיים באנרגיה.

ש: האם טכנולוגיית CMOS מתאימה ליישומים אנלוגיים? 

ת: כן, טכנולוגיית CMOS היא רב-תכליתית וניתן להשתמש בה גם ליישומים דיגיטליים וגם ליישומים אנלוגיים,
מה שהופך אותה למתאימה ליישומים כמו עיבוד אותות אנלוגי ומעגלים משולבים של אותות מעורבים.

ש: מהן המגמות העתידיות בטכנולוגיית CMOS? 

ת: מגמות עתידיות בטכנולוגיית CMOS כוללות פיתוח של צמתי תהליכים מתקדמים (למשל, 3nm, 2nm),
שילוב של חומרים חדשים וחידושים בערימת שבבים תלת מימדיים ואינטגרציה הטרוגנית
כדי לענות על הדרישות של יישומים מתפתחים.

ש: האם יש מגבלות או אתגרים הקשורים לטכנולוגיית CMOS? 

ת: CMOS מתמודדת עם אתגרים כאשר היא מצטמצמת לגדלים קטנים יותר של תכונה, כולל בעיות הקשורות לדליפת חשמל,
השפעות קוונטיות והמורכבות הגוברת של תהליכי הייצור.

ש: מהם היישומים הפוטנציאליים של טכנולוגיית CMOS בתחומים מתפתחים כמו בינה מלאכותית? 

ת: טכנולוגיית CMOS נמצאת ביישומים במחשוב קוונטי לשליטה בקיוביטים
ובמאיצי חומרה בינה מלאכותית לעיבוד רשת עצבית יעילה.

מחפש פיתוח CMOS? פנה עכשיו!