Что такое CMOS: принцип работы и его применение

Термин CMOS означает «дополнительный металлооксидный полупроводник». Это одна из самых популярных технологий в индустрии дизайна компьютерных микросхем, и сегодня она широко используется для формирования интегральные схемы в многочисленных и разнообразных приложениях. Сегодняшние компьютерные устройства памяти, процессоры и сотовые телефоны используют эту технологию благодаря нескольким ключевым преимуществам. В этой технологии используются полупроводниковые устройства как с каналом P, так и с каналом N. Одной из самых популярных технологий MOSFET, доступных сегодня, является технология Complementary MOS или CMOS. Это доминирующая полупроводниковая технология для микропроцессоров, микросхем микроконтроллеров, таких запоминающих устройств, как RAM, ROM, EEPROM и специализированные интегральные схемы (ASIC).

Введение в технологию MOS

В конструкции ИС основным и наиболее важным компонентом является транзистор. Итак, MOSFET - это один из видов транзисторов, используемых во многих приложениях. Формирование этого транзистора может быть выполнено как сэндвич, включая полупроводниковый слой, обычно пластину, срез монокристалла кремния, слой диоксида кремния и металлический слой. Эти слои позволяют формировать транзисторы внутри полупроводникового материала. Хороший изолятор, такой как Sio2, имеет тонкий слой толщиной в сотню молекул.

Транзисторы, в которых мы используем поликристаллический кремний (поли) вместо металла для их секций затвора. Поликремниевый затвор полевого транзистора можно заменить почти металлическим затвором в крупномасштабных ИС. Иногда полевые транзисторы из поликремния и металла называют IGFET, что означает полевые транзисторы с изолированным затвором, потому что SiO2 под затвором является изолятором.

CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник)

Главный преимущество CMOS над NMOS а технология BIPOLAR - это гораздо меньшее рассеивание мощности. В отличие от схем NMOS или BIPOLAR, схема Component MOS почти не имеет статического рассеяния мощности. Мощность рассеивается только в том случае, если цепь действительно переключается. Это позволяет интегрировать в ИС больше вентилей CMOS, чем в NMOS или биполярная технология , что приводит к гораздо более высокой производительности. Комплементарный металлооксидный полупроводниковый транзистор состоит из МОП с P-каналом (PMOS) и MOS с каналом N (NMOS). Пожалуйста, перейдите по ссылке, чтобы узнать больше о процесс изготовления транзистора CMOS .

CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник)

NMOS

NMOS построен на подложке p-типа с рассеянными на ней истоком и стоком n-типа. В NMOS большинство носителей - электроны. Когда на затвор подается высокое напряжение, NMOS будет проводить. Точно так же, когда на затвор подается низкое напряжение, NMOS не будет проводить. NMOS считается быстрее, чем PMOS, поскольку носители в NMOS, которые являются электронами, перемещаются в два раза быстрее, чем дырки.

NMOS транзистор

PMOS

МОП-транзистор с P-каналом состоит из истока и стока P-типа, рассеянных на подложке N-типа. Большинство носителей - это дыры. Когда на затвор подается высокое напряжение, PMOS не будет проводить. Когда на затвор подается низкое напряжение, PMOS будет проводить. Устройства PMOS более устойчивы к шуму, чем устройства NMOS.

PMOS транзистор

Принцип работы CMOS

В КМОП-технологии для разработки логических функций используются транзисторы как N-типа, так и P-типа. Тот же сигнал, который включает транзистор одного типа, используется для выключения транзистора другого типа. Эта характеристика позволяет проектировать логические устройства с использованием только простых переключателей без использования подтягивающего резистора.

В CMOS логические ворота набор полевых МОП-транзисторов n-типа организован в виде понижающей сети между выходом и шиной источника питания низкого напряжения (Vss или довольно часто заземлением). Вместо нагрузочного резистора логических вентилей NMOS логические вентили CMOS имеют набор полевых МОП-транзисторов p-типа в подтягивающей сети между выходом и шиной высокого напряжения (часто называемой Vdd).

CMOS с использованием Pull Up и Pull Down

Таким образом, если затворы транзисторов p-типа и n-типа подключены к одному и тому же входу, полевой МОП-транзистор p-типа будет включен, когда полевой МОП-транзистор n-типа выключен, и наоборот. Сети организованы таким образом, что одна включена, а другая выключена для любого входного шаблона, как показано на рисунке ниже.

CMOS обеспечивает относительно высокую скорость, низкое рассеивание мощности, высокий запас шума в обоих состояниях и будет работать в широком диапазоне входных и исходных напряжений (при условии, что напряжение источника фиксировано). Кроме того, для лучшего понимания принципа работы комплементарного металлооксидного полупроводника, нам необходимо вкратце обсудить логические вентили КМОП, как описано ниже.

Какие устройства используют CMOS?

Такие технологии, как CMOS, используются в различных микросхемах, таких как микроконтроллеры, микропроцессоры, SRAM (статическая RAM) и другие цифровые логические схемы. Эта технология используется в широком спектре аналоговых схем, включая преобразователи данных, датчики изображения и трансиверы с высокой степенью интеграции для нескольких видов связи.

CMOS инвертор

Схема инвертора показана на рисунке ниже. Это состоит из PMOS и NMOS FET . Вход A служит напряжением затвора для обоих транзисторов.

Транзистор NMOS имеет вход от Vss (земля), а транзистор PMOS имеет вход от Vdd. Клемма Y выводится. Когда высокое напряжение (~ Vdd) подается на входную клемму (A) инвертора, PMOS становится разомкнутой, а NMOS выключается, поэтому выход будет понижен до Vss.

CMOS инвертор

При низком уровне напряжения (

CMOS NAND ворота

На рисунке ниже показан логический элемент комплементарной МОП-И-НЕ с двумя входами. Он состоит из двух последовательных транзисторов NMOS между Y и землей и двух параллельных транзисторов PMOS между Y и VDD.

Если на входе A или B установлен логический 0, по крайней мере один из транзисторов NMOS будет отключен, прерывая путь от Y к земле. Но по крайней мере один из транзисторов pMOS будет включен, создавая путь от Y до VDD.

Два входа NAND Gate

Следовательно, выход Y будет высоким. Если на обоих входах высокий уровень, оба транзистора nMOS будут включены, а оба транзистора pMOS будут отключены. Следовательно, на выходе будет низкий логический уровень. Таблица истинности логического элемента И-НЕ приведена в таблице ниже.

CMOS NOR Gate

Двухвходовой вентиль ИЛИ-НЕ показан на рисунке ниже. Транзисторы NMOS подключены параллельно, чтобы подтянуть выходной сигнал к низкому уровню при высоком уровне любого входа. Транзисторы PMOS включены последовательно, чтобы подтягивать выход на высоком уровне, когда на обоих входах низкий уровень, как показано в таблице ниже. Вывод никогда не остается плавающим.

Два входа NOR Gate

Таблица истинности логического элемента ИЛИ-НЕ приведена в таблице ниже.

Изготовление CMOS

Изготовление КМОП-транзисторов может быть выполнено на кремниевой пластине. Диаметр пластины составляет от 20 мм до 300 мм. В этом процесс литографии такой же, как и на печатном станке. На каждом этапе можно наносить различные материалы, травить или создавать узор. Этот процесс очень просто понять, просмотрев верх и поперечное сечение пластины с помощью упрощенного метода сборки. Изготовление КМОП может быть выполнено с использованием трех технологий, а именно: N-well pt P-well, Twin well, КНИ (кремний на изоляторе). Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о Изготовление CMOS .

Срок службы батареи CMOS

Типичный срок службы батареи CMOS составляет приблизительно 10 лет. Но это может измениться в зависимости от использования и окружения, где бы ни находился ПК.

Признаки отказа батареи CMOS

Когда батарея CMOS выходит из строя, компьютер не может поддерживать точное время и дату на компьютере после того, как он выключен. Например, когда компьютер включен, вы можете увидеть время и дату, такие как 12:00 и 1 января 1990 года. Эта ошибка указывает на то, что батарея CMOS вышла из строя.

• Загрузка ноутбука затруднена
• Звуковой сигнал может воспроизводиться непрерывно с материнской платы компьютера.
• Время и дата сброшены
• Периферийные устройства компьютеров не реагируют правильно
• Драйверы оборудования исчезли
• Интернет не может быть подключен.

Характеристики CMOS

Наиболее важными характеристиками CMOS являются низкое статическое потребление энергии, огромная помехозащищенность. Когда единственный транзистор из пары MOSFET-транзисторов выключен, тогда последовательная комбинация использует значительную мощность во время переключения между двумя, указанными как ON и OFF.

В результате эти устройства не выделяют лишнее тепло по сравнению с другими типами логических схем, такими как логика TTL или NMOS, которые обычно используют некоторый постоянный ток, даже если они не меняют свое состояние.

Эти характеристики КМОП позволят интегрировать логические функции с высокой плотностью в интегральную схему. Из-за этого CMOS стала наиболее часто используемой технологией для реализации в микросхемах VLSI.

Фраза MOS относится к физической структуре MOSFET, которая включает в себя электрод с металлическим затвором, который расположен наверху оксидного изолятора из полупроводникового материала.

Такой материал, как алюминий, используется только один раз, однако теперь это поликремний. Проектирование других металлических затворов может быть выполнено с использованием возвращения через появление диэлектрических материалов с высоким κ в процессе CMOS-процесса.

CCD против CMOS

Датчики изображения, такие как устройство с зарядовой связью (CCD) и дополнительный металл-оксид-полупроводник (CMOS), представляют собой два разных типа технологий. Они используются для цифрового захвата изображения. Каждый датчик изображения имеет свои преимущества, недостатки и области применения.

Основное различие между CCD и CMOS - способ захвата кадра. Устройство с зарядовой связью, такое как CCD, использует глобальный затвор, тогда как CMOS использует скользящий затвор. Эти два датчика изображения изменяют заряд со светового на электрический и преобразуют его в электронные сигналы.

Производственный процесс, используемый в ПЗС-матрицах, является особенным, чтобы сформировать способность перемещать заряд через ИС без изменений. Таким образом, этот производственный процесс может привести к созданию исключительно высококачественных датчиков с высокой светочувствительностью и точностью.

В отличие от этого, КМОП-чипы используют фиксированные производственные процедуры для проектирования чипа, и аналогичный процесс также может быть использован при изготовлении микропроцессоров. Из-за различий в производстве есть некоторые явные различия между датчиками, такими как CCD 7 CMOS.

Датчики CCD будут захватывать изображения с меньшим шумом и высоким качеством, тогда как датчики CMOS обычно более подвержены шуму.

Обычно CMOS потребляет меньше энергии, тогда как CCD потребляет больше энергии, чем датчик CMOS более чем в 100 раз.

Изготовление КМОП-чипов можно производить на любой типичной производственной линии Si, поскольку они, как правило, очень дешевы по сравнению с ПЗС-матрицами. ПЗС-сенсоры более зрелые, потому что серийно производятся в течение длительного периода.

И КМОП, и ПЗС-формирователи изображения зависят от фотоэлектрического эффекта, чтобы сделать электрический сигнал от света

Основываясь на вышеупомянутых различиях, в камерах используются ПЗС-матрицы для получения высококачественных изображений с большим количеством пикселей и выдающейся светочувствительностью. Обычно КМОП-сенсоры имеют меньшее разрешение, качество и чувствительность.
В некоторых приложениях КМОП-сенсоры в последнее время улучшаются до такой степени, что они почти сравнимы с устройствами на ПЗС. Как правило, КМОП-камеры недороги и у них большой срок службы батареи.

Latch-Up в CMOS

Защелкивание можно определить как короткое замыкание между двумя клеммами, такими как питание и земля, так что может генерироваться большой ток и может быть повреждена микросхема. В CMOS защелка - это возникновение цепи с низким импедансом между шиной питания и шиной заземления из-за связи между двумя транзисторами, такими как паразитные PNP и NPN. транзисторы .

В схеме CMOS два транзистора, такие как PNP и NPN, подключены к двум шинам питания, таким как VDD и GND. Защита этих транзисторов может осуществляться через резисторы.

При передаче с фиксацией ток будет течь от VDD к GND прямо через два транзистора, так что может произойти короткое замыкание, поэтому экстремальный ток будет течь от VDD к клемме заземления.

Существуют разные методы предотвращения защемления

При предотвращении защелкивания на шлейф может быть помещено высокое сопротивление, чтобы остановить прохождение тока по всему источнику питания и сделать β1 * β2 ниже 1, используя следующие методы.

Структура паразитного SCR будет заключена в окружение транзисторов, таких как PMOS и NMOS, через изолирующий оксидный слой. Технология защиты от защелкивания выключит устройство при обнаружении защелкивания.

Услуги тестирования фиксации могут быть предоставлены многими поставщиками на рынке. Этот тест может быть выполнен последовательностью попыток активировать структуру SCR в CMOS IC, в то время как соответствующие выводы проверяются при прохождении через них сверхтока.

Рекомендуется получить первые образцы из экспериментальной партии и отправить их в испытательную лабораторию Latch-up. Эта лаборатория будет применять максимально достижимый источник питания, а затем обеспечивать подачу тока на входы и выходы микросхемы всякий раз, когда происходит фиксация через мониторинг источника тока.

Преимущества

К преимуществам CMOS можно отнести следующее.

Основными преимуществами CMOS по сравнению с TTL являются хороший запас шума, а также меньшее энергопотребление. Это связано с отсутствием прямой проводящей дорожки от VDD к GND, временами спада в зависимости от условий входа, тогда передача цифрового сигнала станет простой и недорогой через чипы CMOS.

CMOS используется для объяснения объема памяти на материнской плате компьютера, который будет храниться в настройках BIOS. Эти настройки в основном включают дату, время и настройки оборудования.
TTL - это цифровая логическая схема, в которой биполярные транзисторы работают от импульсов постоянного тока. Несколько транзисторных логических вентилей обычно состоят из одной ИС.

Выходы, если CMOS активен в обоих направлениях

• Он использует один источник питания, например + VDD
• Эти ворота очень простые
• Входное сопротивление высокое
• Логика CMOS потребляет меньше энергии, когда она находится в заданном состоянии
• Рассеивание мощности незначительно
• Вентилятор высокий
• TTL совместимость
• Стабильность температуры
• Помехозащищенность хорошая
• Компактный
• Дизайн очень хороший
• Механически прочный
• Размах логики большой (VDD)

Недостатки

К недостаткам CMOS можно отнести следующее.

• Стоимость будет увеличиваться при увеличении этапов обработки, однако ее можно решить.
• Плотность упаковки CMOS мала по сравнению с NMOS.
• Микросхемы MOS должны быть защищены от статических зарядов, закорочив выводы, иначе статические заряды, полученные внутри выводов, повредят микросхему. Эта проблема может быть решена включением защитных схем или устройств.
• Другим недостатком инвертора CMOS является то, что он использует два транзистора вместо одного NMOS для создания инвертора, что означает, что CMOS использует больше места на кристалле по сравнению с NMOS. Эти недостатки невелики из-за прогресса в технологии CMOS.

CMOS приложения

Дополнительные процессы MOS были широко реализованы и в корне заменили NMOS и биполярные процессы почти для всех приложений цифровой логики. КМОП-технология была использована в следующих цифровых ИС.

• Компьютерная память, процессоры
• Конструкции микропроцессоров
• Проектирование микросхем флэш-памяти
• Используется для разработки специализированных интегральных схем (ASIC)

Таким образом CMOS-транзистор очень известен потому что они эффективно используют электроэнергию. Они не используют электричество, когда переходят из одного состояния в другое. Кроме того, дополнительные полупроводники работают совместно, чтобы остановить напряжение o / p. Результатом является конструкция с низким энергопотреблением, которая обеспечивает меньше тепла, по этой причине эти транзисторы изменили другие более ранние конструкции, такие как ПЗС-матрицы в датчиках камеры и используемые в большинстве современных процессоров. Память CMOS в компьютере представляет собой своего рода энергонезависимую RAM, в которой хранятся настройки BIOS и информация о времени и дате.

Я считаю, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или проекты электроники , пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, почему CMOS предпочтительнее NMOS?