Izraz CMOS pomeni 'komplementarni polprevodnik kovinskega oksida'. To je ena najbolj priljubljenih tehnologij v industriji oblikovanja računalniških čipov in se danes pogosto uporablja za oblikovanje integrirana vezja v številnih in raznolikih aplikacijah. Današnji računalniški spomini, CPU in mobilni telefoni uporabljajo to tehnologijo zaradi številnih ključnih prednosti. Ta tehnologija uporablja tako P-kanalne kot N-polprevodniške naprave. Ena izmed najbolj priljubljenih tehnologij MOSFET, ki je danes na voljo, je dopolnilna tehnologija MOS ali CMOS. To je prevladujoča polprevodniška tehnologija za mikroprocesorje, mikrokrmilniške čipe, spomine, kot so RAM, ROM, EEPROM in specifična integrirana vezja (ASIC).
Uvod v tehnologijo MOS
Pri zasnovi IC je osnovna in najpomembnejša komponenta tranzistor. MOSFET je torej ena vrsta tranzistorja, ki se uporablja v mnogih aplikacijah. Oblikovanje tega tranzistorja lahko izvedemo kot sendvič, tako da vključimo polprevodniško plast, običajno rezino, rezino iz enega kristala silicija, plast silicijevega dioksida in kovinsko plast. Te plasti omogočajo tvorbo tranzistorjev znotraj polprevodniškega materiala. Dober izolator, kot je Sio2, ima tanek sloj z debelino sto molekul.
Tranzistorji, za katere uporabljamo polikristalni silicij (poly) namesto kovine za svoje vratne odseke. Vrata Polysilicon FET je mogoče zamenjati skoraj s kovinskimi vrati v velikih IC. Včasih se polisilikonski in kovinski FET imenujejo IGFET, kar pomeni izolirani FET-ji vrat, ker je Sio2 pod vrati izolator.
CMOS (komplementarni polprevodnik iz kovinskega oksida)
Glavni prednost CMOS pred NMOS in tehnologija BIPOLAR je veliko manjša izguba moči. Za razliko od vezij NMOS ali BIPOLAR, komplementarno vezje MOS skoraj nima statične moči. Moč se odvaja le, če se vezje dejansko preklopi. To omogoča integracijo več vrat CMOS na IC kot v NMOS oz bipolarna tehnologija , kar ima za posledico veliko boljše delovanje. Komplementarni polprevodniški tranzistor iz kovinskega oksida je sestavljen iz P-kanalnega MOS (PMOS) in N-kanalnega MOS (NMOS). Za več informacij glejte povezavo postopek izdelave CMOS tranzistorja .
CMOS (komplementarni polprevodnik iz kovinskega oksida)
NMOS
NMOS je zgrajen na substratu tipa p z virom tipa n in na njem razpršen odtok. V NMOS so večina nosilcev elektroni. Ko je na vrata priključena visoka napetost, bo NMOS vodil. Podobno, ko je na vrata priključena nizka napetost, NMOS ne bo deloval. Šteje se, da je NMOS hitrejši od PMOS, saj nosilci v NMOS, ki so elektroni, potujejo dvakrat hitreje kot luknje.
Tranzistor NMOS
PMOS
P-kanalni MOSFET je sestavljen iz izvora vrste P in odtoka, razpršenega na podlagi N-tipa. Večina nosilcev so luknje. Ko je na vrata priključena visoka napetost, PMOS ne bo deloval. Ko je na vrata priključena nizka napetost, bo vodil PMOS. Naprave PMOS so bolj odporne na hrup kot naprave NMOS.
Tranzistor PMOS
Načelo dela CMOS
V tehnologiji CMOS se za načrtovanje logičnih funkcij uporabljajo tranzistorji N-tipa in P-tipa. Isti signal, ki vklopi tranzistor ene vrste, se uporablja za IZKLOP tranzistorja druge vrste. Ta značilnost omogoča zasnovo logičnih naprav, ki uporabljajo samo preprosta stikala, brez potrebe po vlečnem uporu.
V CMOS logična vrata zbirka n-tipa MOSFET-jev je razporejena v padajočem omrežju med izhodom in nizkonapetostno napajalno tirnico (Vss ali precej pogosto ozemljena). Namesto obremenitvenega upora logičnih vrat NMOS imajo logična vrata CMOS zbirko p-tipa MOSFET-ov v vlečnem omrežju med izhodom in visokonapetostno tirnico (pogosto imenovano Vdd).
CMOS s funkcijo Pull Up & Pull Down
Če sta tako tranzistorja tipa p kot tipa n priključena na isti vhod, bo MOSFET tipa p vklopljen, ko bo MOSFET tipa n izklopljen, in obratno. Omrežja so razporejena tako, da je eno VKLOPLJENO, drugo pa IZKLOPLJENO za kateri koli vhodni vzorec, kot je prikazano na spodnji sliki.
CMOS ponuja sorazmerno visoke hitrosti, nizko odvajanje moči, visoke meje hrupa v obeh državah in bo deloval v širokem razponu virov in vhodnih napetosti (pod pogojem, da je napetost vira fiksna). Poleg tega moramo za boljše razumevanje načela delovanja komplementarnega kovinskega oksida polprevodnika na kratko razpravljati o logičnih vratih CMOS, kot je razloženo spodaj.
Katere naprave uporabljajo CMOS?
Tehnologija, kot je CMOS, se uporablja v različnih čipih, kot so mikrokrmilniki, mikroprocesorji, SRAM (statični RAM) in druga digitalna logična vezja. Ta tehnologija se uporablja v številnih analognih vezjih, ki vključujejo pretvornike podatkov, slikovne senzorje in visoko vgrajene oddajnike za več vrst komunikacije.
Pretvornik CMOS
Vezje pretvornika, kot je prikazano na spodnji sliki. Sestavljen je iz PMOS in NMOS FET . Vhod A služi kot napetost vrat za oba tranzistorja.
Tranzistor NMOS ima vhod iz Vss (ozemljitev), tranzistor PMOS pa vhod iz Vdd. Terminal Y je izhod. Ko je na vhodnem sponki (A) pretvornika podana visoka napetost (~ Vdd), PMOS postane odprt krog in NMOS IZKLOPLJEN, tako da bo izhod izvlečen na Vss.
Pretvornik CMOS
Ko je nizkonapetostna napetost ( Spodnja slika prikazuje 2-vhodna komplementarna vrata MOS NAND. Sestavljen je iz dveh serijskih NMOS tranzistorjev med Y in Ground ter dveh vzporednih tranzistorjev PMOS med Y in VDD. Če je vhod A ali B logičen 0, bo vsaj eden od NMOS tranzistorjev IZKLOPLJEN in prekinil pot od Y do tal. Toda vsaj eden od pMOS tranzistorjev bo VKLOPLJEN, kar bo ustvarilo pot od Y do VDD. Dva vhodna vrata NAND Zato bo izhod Y visok. Če sta oba vhoda visoka, bosta oba tranzistorja nMOS vklopljena in oba tranzistorja pMOS IZKLOPLJENA. Zato bo izhod logično nizek. Tabela resničnosti logičnih vrat NAND, podana v spodnji tabeli. Vrata NOR z 2 vhodoma so prikazana na spodnji sliki. Tranzistorji NMOS vzporedno potegnejo izhod nizko, kadar je kateri koli vhod visok. Tranzistorji PMOS serijsko vlečejo izhod visoko, kadar sta oba vhoda nizka, kot je navedeno v spodnji tabeli. Izhod nikoli ne ostane plavajoč. Dve vhodni NOR vrata Tabela resničnosti logičnih vrat NOR, podana v spodnji tabeli. Izdelava CMOS tranzistorjev se lahko izvede na silicijevi plošči. Premer rezin je od 20 mm do 300 mm. Pri tem je postopek litografije enak tiskarskemu stroju. Na vsakem koraku se lahko odložijo različni materiali, ki so jedkani drugače vzorčno. Ta postopek je zelo enostavno razumeti tako, da si poenostavimo postopek sestavljanja, tako da si ogledamo zgornji del rezine in prerez. Izdelavo CMOS je mogoče doseči z uporabo treh tehnologij, in sicer N-vod pt P-vodnjak, Twin well, SOI (Silicon on Insulator). Za več informacij glejte to povezavo Izdelava CMOS . Običajna življenjska doba baterije CMOS je približno 10 let. Vendar se to lahko spremeni glede na uporabo in okolico, kjer koli je računalnik. Ko baterija CMOS odpove, potem računalnik po izklopu ne more ohraniti natančnega časa in datuma v računalniku. Ko je računalnik na primer na primer, boste morda videli uro in datum, kot sta 12:00 in 1. januar 1990. Ta napaka pomeni, da baterija CMOS ni uspela. Najpomembnejše značilnosti CMOS so nizka izkoriščenost statične moči in velika odpornost proti hrupu. Ko se posamezni tranzistor iz para tranzistorja MOSFET izklopi, potem serijska kombinacija med preklapljanjem med navedenima, kot sta ON in OFF, uporablja znatno moč. Zaradi tega te naprave ne ustvarjajo odpadne toplote v primerjavi z drugimi vrstami logičnih vezij, kot sta logika TTL ali NMOS, ki običajno uporabljajo nekaj stalnega toka, tudi če ne spremenijo svojega stanja. Te značilnosti CMOS bodo omogočile integracijo logičnih funkcij z visoko gostoto v integrirano vezje. Zaradi tega je CMOS postala najpogosteje uporabljena tehnologija, ki se izvaja v čipih VLSI. Besedna zveza MOS je sklicevanje na fizično zgradbo MOSFET-a, ki vključuje elektrodo s kovinskimi vrati, ki se nahaja na vrhu oksidnega izolatorja polprevodniškega materiala. Material, kot je aluminij, se uporablja samo enkrat, vendar je zdaj polisilicij. Načrtovanje drugih kovinskih vrat lahko izvedemo z vrnitvijo s prihodom visoko-κ dielektričnih materialov v procesu CMOS. Slikovni senzorji, kot sta polnilna naprava (CCD) in komplementarni polprevodnik kovinski oksid (CMOS), sta dve različni vrsti tehnologij. Ti se uporabljajo za digitalno zajemanje slike. Vsak slikovni senzor ima svoje prednosti, slabosti in aplikacije. Glavna razlika med CCD in CMOS je način zajemanja okvirja. Naprava s polnjenjem, kot je CCD, uporablja globalni zaklop, medtem ko CMOS uporablja rolo zaklop. Ta dva slikovna senzorja spremenita naboj iz svetlobe v električni in ga predelata v elektronske signale. Proizvodni postopek, ki se uporablja v CCD-jih, je poseben, da tvori zmožnost premikanja naboja po IC brez sprememb. Ta proizvodni postopek lahko vodi do izjemno kakovostnih senzorjev glede občutljivosti in zvestobe na svetlobo. Nasprotno pa čipi CMOS za načrtovanje čipa uporabljajo fiksne proizvodne postopke, podoben postopek pa lahko uporabimo tudi pri izdelavi mikroprocesorjev. Zaradi razlik v proizvodnji obstaja nekaj očitnih razlik med senzorji, kot je CCD 7 CMOS. CCD senzorji bodo zajemali slike z manj šuma in visoko kakovostjo, medtem ko so senzorji CMOS običajno bolj izpostavljeni hrupu. CMOS običajno porabi manj energije, medtem ko CCD porabi veliko energije, na primer več kot 100-krat za senzor CMOS. Izdelavo CMOS čipov je mogoče izvesti na kateri koli tipični proizvodni liniji Si, ker so ponavadi zelo poceni v primerjavi s CCD-ji. CCD senzorji so bolj zreli, ker se dolgo proizvajajo množično. Tako CMOS kot CCD senzorja sta odvisna od učinka fotoelektrike, ki oddaja električni signal iz svetlobe Na podlagi zgornjih razlik se CCD-ji v kamerah uporabljajo za ciljanje visokokakovostnih slik z veliko slikovnimi pikami in izjemno svetlobno občutljivostjo. Običajno imajo senzorji CMOS manj ločljivosti, kakovosti in občutljivosti. Zaklep lahko definiramo, ko pride do kratkega stika med obema priključkoma, kot sta moč in ozemljitev, tako da lahko nastane visok tok in se IC poškoduje. V CMOS je zapah pojav nizke impedančne poti med električno tirnico in tlemi zaradi komunikacije med dvema tranzistorjema, kot sta parazitska PNP in NPN tranzistorji . V vezju CMOS sta dva tranzistorja, kot sta PNP in NPN, povezana z dvema napajalnima tirnicama, kot sta VDD in GND. Zaščito teh tranzistorjev lahko izvedemo z upori. Pri zaklenjenem prenosu bo tok tekel od VDD do GND naravnost skozi dva tranzistorja, tako da lahko pride do kratkega stika, zato bo ekstremni tok tekel od VDD do ozemljitvene sponke. Obstajajo različne metode za preprečevanje zaskočitve Za preprečevanje zaskočitve lahko na stezo postavimo visoko odpornost, da ustavimo pretok toka skozi celotno oskrbo in naredimo β1 * β2 pod 1 z uporabo naslednjih metod. Struktura parazitskega SCR bo skozi izolacijsko oksidno plast prešla v okolico tranzistorjev, kot sta PMOS in NMOS. Tehnologija zaščite pred zaklepanjem bo napravo izklopila, ko bo zapah opažen. Preizkusne storitve zaklepanja lahko opravijo številni prodajalci na trgu. Ta preskus je mogoče izvesti z zaporedjem poskusov aktiviranja strukture SCR v CMOS IC, medtem ko se ustrezni zatiči preverijo, ko skozi tok teče presežni tok. Priporočljivo je pridobiti prve vzorce iz poskusne serije in jih poslati v testni laboratorij Latch-up. Ta laboratorij bo uporabil najbolj dosegljivo napajanje in nato zagotovil trenutno napajanje vhodov in izhodov čipa, kadar koli pride do zastoja s spremljanjem trenutne oskrbe. Prednosti CMOS vključujejo naslednje. Glavne prednosti CMOS pred TTL so dobra meja hrupa in manjša poraba energije. Razlog za to je, da od VDD do GND ni naravnost vodljivega pasu, čas padca temelji na pogojih vnosa, potem pa bo prenos digitalnega signala s čipi CMOS postal enostaven in poceni. CMOS se uporablja za razlago količine pomnilnika na matični plošči računalnika, ki se bo shranil v nastavitvah BIOS-a. Te nastavitve v glavnem vključujejo datum, uro in nastavitve strojne opreme Izhodi, če CMOS poganja aktivno v obe smeri Pomanjkljivosti CMOS vključujejo naslednje. Dopolnilni MOS procesi so bili široko uvedeni in so v bistvu nadomestili NMOS in bipolarne procese za skoraj vse digitalne logične aplikacije. Tehnologija CMOS je bila uporabljena za naslednje digitalne zasnove IC. Tako je Tranzistor CMOS je zelo znan ker učinkovito uporabljajo električno energijo. Ne uporabljajo električne oskrbe, kadar spreminjajo eno stanje v drugo. Poleg tega brezplačni polprevodniki medsebojno ustavljajo napetost o / p. Rezultat je zasnova z majhno porabo energije, ki zagotavlja manj toplote, zato so ti tranzistorji spremenili druge prejšnje zasnove, kot so CCD v senzorjih kamer in so bili uporabljeni v večini sedanjih procesorjev. Spomin na CMOS v računalniku je nekakšen trajni RAM, ki shrani nastavitve BIOS-a ter podatke o času in datumu. Verjamem, da ste bolje razumeli ta koncept. Nadalje, kakršna koli vprašanja v zvezi s tem konceptom oz elektronski projekti , prosimo, dajte svoje dragocene predloge s komentarjem v spodnjem oddelku za komentarje. Tukaj je vprašanje za vas, zakaj je CMOS raje kot NMOS? VHOD LOGIČNI VHOD IZHOD LOGIČNI IZHOD 0 v 0 Vdd 1. Vdd 1. 0 v 0 Vrata CMOS NAND
TO B Pull-Down Network Povlečno omrežje IZHOD Y 0 0 IZKLOPLJENO VKLOPLJENO 1. 0 1. IZKLOPLJENO VKLOPLJENO 1. 1. 0 IZKLOPLJENO VKLOPLJENO 1. 1. 1. VKLOPLJENO IZKLOPLJENO 0 Vrata CMOS NOR
TO B Y. 0 0 1. 0 1. 0 1. 0 0 1. 1. 0 Izdelava CMOS
Življenjska doba baterije CMOS
Simptomi okvare baterije CMOS
Značilnosti CMOS
CCD vs CMOS
V nekaterih aplikacijah se senzorji CMOS v zadnjem času izboljšujejo do te mere, da dosežejo skoraj enakost z napravami CCD. Kamere CMOS na splošno niso drage in imajo dolgo življenjsko dobo baterije.Zakasnitev v CMOS-u
Prednosti
TTL je digitalno logično vezje, kjer bipolarni tranzistorji delujejo na enosmerne impulze. Več tranzistorskih logičnih vrat je običajno sestavljenih iz ene IC.Slabosti
Aplikacije CMOS
