Termín CMOS znamená „doplňkový polovodič oxidu kovu“. Jedná se o jednu z nejpopulárnějších technologií v průmyslu navrhování počítačových čipů a dnes se široce používá k formování integrované obvody v mnoha různých aplikacích. Dnešní počítačové paměti, CPU a mobilní telefony využívají tuto technologii díky několika klíčovým výhodám. Tato technologie využívá polovodičová zařízení P kanálu i N kanálu. Jednou z nejpopulárnějších technologií MOSFET, která je dnes k dispozici, je doplňková technologie MOS nebo CMOS. Jedná se o dominantní polovodičovou technologii pro mikroprocesory, čipy mikrokontrolérů, paměti jako RAM, ROM, EEPROM a aplikačně specifické integrované obvody (ASIC).
Úvod do technologie MOS
V návrhu IC je základní a nejdůležitější komponentou tranzistor. MOSFET je tedy jeden druh tranzistoru používaný v mnoha aplikacích. Tvorba tohoto tranzistoru může být provedena jako sendvič zahrnutím polovodičové vrstvy, obecně oplatky, plátku z jediného krystalu křemíku, vrstvy oxidu křemičitého a kovové vrstvy. Tyto vrstvy umožňují vytváření tranzistorů uvnitř polovodičového materiálu. Dobrý izolátor jako Sio2 má tenkou vrstvu o tloušťce sto molekul.
Tranzistory, které pro jejich brány používáme místo kovu polykrystalický křemík (poly). Polysilikonovou bránu FET lze vyměnit téměř pomocí kovových bran ve velkém měřítku. Někdy se polysilikonové i kovové FET označují jako IGFET, což znamená FET s izolovanou bránou, protože Sio2 pod bránou je izolátor.
CMOS (doplňkový polovodič oxidu kovu)
Hlavní výhoda CMOS oproti NMOS a technologie BIPOLAR je mnohem menší ztrátový výkon. Na rozdíl od obvodů NMOS nebo BIPOLAR nemá doplňkový obvod MOS téměř žádný ztrátový výkon. Napájení se rozptýlí pouze v případě, že se obvod skutečně přepne. To umožňuje integraci více bran CMOS na IC než v NMOS nebo bipolární technologie , což má za následek mnohem lepší výkon. Doplňkový polovodičový tranzistor z oxidu kovu se skládá z MOS s P-kanálem (PMOS) a MOS s N-kanálem (NMOS). Další informace najdete na odkazu proces výroby CMOS tranzistoru .
CMOS (doplňkový polovodič oxidu kovu)
NMOS
NMOS je postaven na substrátu typu p se zdrojem typu n a na něm rozptýleným odtokem. V NMOS tvoří většinu nosičů elektrony. Když je na bránu přivedeno vysoké napětí, bude NMOS fungovat. Podobně, když je na bránu aplikováno nízké napětí, NMOS nebude fungovat. NMOS je považován za rychlejší než PMOS, protože nosiče v NMOS, které jsou elektrony, cestují dvakrát rychleji než díry.
Tranzistor NMOS
PMOS
P-kanál MOSFET se skládá ze zdroje typu P a odtoku rozptýleného na substrátu typu N. Většina nosičů jsou díry. Když je na bránu přivedeno vysoké napětí, PMOS nebude fungovat. Když je na bránu přivedeno nízké napětí, bude PMOS fungovat. Zařízení PMOS jsou odolnější vůči hluku než zařízení NMOS.
Tranzistor PMOS
Princip fungování CMOS
V technologii CMOS se k navrhování logických funkcí používají tranzistory typu N i typu P. Stejný signál, který zapíná tranzistor jednoho typu, se používá k vypnutí tranzistoru druhého typu. Tato charakteristika umožňuje konstrukci logických zařízení pouze s použitím jednoduchých spínačů, aniž by bylo nutné použít pull-up rezistor.
V CMOS logické brány kolekce MOSFETů typu n je uspořádána v rozevírací síti mezi výstupem a nízkonapěťovou napájecí lištou (Vss nebo často zem). Namísto zatěžovacího rezistoru logických bran NMOS mají logické brány CMOS sbírku MOSFETů typu p ve vytahovací síti mezi výstupem a vysokonapěťovou kolejnicí (často označovanou jako Vdd).
CMOS pomocí Pull Up & Pull Down
Pokud tedy mají tranzistory typu p i n své brány připojené ke stejnému vstupu, MOSFET typu p bude ZAPNUTÝ, když je MOSFET typu n VYPNUTÝ, a naopak. Sítě jsou uspořádány tak, že jedna je zapnutá a druhá vypnutá pro jakýkoli vstupní vzor, jak je znázorněno na obrázku níže.
CMOS nabízí relativně vysokou rychlost, nízkou ztrátu energie, vysoké rozpětí šumu v obou státech a bude pracovat v širokém rozsahu zdrojového a vstupního napětí (za předpokladu, že je zdrojové napětí pevné). Pro lepší pochopení pracovního principu doplňkového oxidu kovu s polovodičem musíme dále stručně probrat logické brány CMOS, jak je vysvětleno níže.
Která zařízení používají CMOS?
Technologie jako CMOS se používá v různých čipech, jako jsou mikroprocesory, mikroprocesory, SRAM (statická RAM) a další digitální logické obvody. Tato technologie se používá v široké škále analogových obvodů, které zahrnují převaděče dat, obrazové snímače a vysoce zabudované vysílače a přijímače pro několik druhů komunikace.
Měnič CMOS
Obvod střídače, jak je znázorněno na obrázku níže. Skládá se z PMOS a NMOS FET . Vstup A slouží jako hradlové napětí pro oba tranzistory.
Tranzistor NMOS má vstup z Vss (zem) a tranzistor PMOS má vstup z Vdd. Svorka Y je na výstupu. Pokud je na vstupní svorce (A) měniče dáno vysoké napětí (~ Vdd), stane se PMOS otevřeným obvodem a NMOS se vypne, takže výstup bude stažen dolů na Vss.
Měnič CMOS
Když je nízkoúrovňové napětí ( Níže uvedený obrázek ukazuje 2vstupovou doplňkovou bránu MOS NAND. Skládá se ze dvou série NMOS tranzistorů mezi Y a zemí a dvou paralelních PMOS tranzistorů mezi Y a VDD. Pokud je buď vstup A nebo B logický 0, alespoň jeden z tranzistorů NMOS bude VYPNUTÝ a přeruší cestu z Y na zem. Ale alespoň jeden z pMOS tranzistorů bude ZAPNUTÝ a vytvoří cestu z Y do VDD. Dvě vstupní brány NAND Proto bude výstup Y vysoký. Pokud jsou oba vstupy vysoké, oba tranzistory nMOS budou ZAPNUTY a oba tranzistory pMOS budou VYPNUTY. Proto bude výstup logicky nízký. Tabulka pravdivosti logické brány NAND uvedená v následující tabulce. Na níže uvedeném obrázku je znázorněna brána NOR se dvěma vstupy. Tranzistory NMOS jsou paralelní, aby táhly výstup nízko, když je jeden vstup vysoký. Tranzistory PMOS jsou v sérii, aby vytáhly výstup vysoko, když jsou oba vstupy nízké, jak je uvedeno v následující tabulce. Výstup nikdy nezůstává plovoucí. Dvě vstupní brány NOR Tabulka pravdivosti logické brány NOR uvedená v následující tabulce. Výroba CMOS tranzistorů může být provedena na plátku křemíku. Průměr oplatky se pohybuje od 20 mm do 300 mm. V tomto je proces litografie stejný jako tiskařský lis. Na každém kroku lze ukládat různé materiály, leptat, jinak vzorovat. Tento proces je velmi jednoduchý na pochopení, když se podíváte na vrchol oplatky a také na průřez v rámci zjednodušené metody montáže. Výroba CMOS může být provedena pomocí tří technologií, a to N-well pt P P-well, Twin well, an SOI (Silicon on Insulator). Další informace naleznete na tomto odkazu Výroba CMOS . Typická životnost baterie CMOS je přibližně 10 let. To se však může změnit na základě využití a prostředí, ať je počítač kdekoli. Pokud baterie CMOS selže, počítač po vypnutí nedokáže v počítači udržet přesný čas a datum. Například když je počítač ZAPNUTÝ, můžete vidět čas a datum jako 12:00 PM a 1. ledna 1990. Tato chyba určuje, že došlo k selhání baterie paměti CMOS. Nejdůležitější charakteristikou CMOS je nízké využití statického výkonu, obrovská odolnost proti šumu. Když je jeden tranzistor z dvojice tranzistorů MOSFET vypnut, pak sériová kombinace využívá významný výkon během přepínání mezi dvěma uvedenými, jako je ON & OFF. Výsledkem je, že tato zařízení negenerují odpadní teplo ve srovnání s jinými typy logických obvodů, jako jsou logiky TTL nebo NMOS, které obvykle používají určitý stojatý proud, i když nezmění svůj stav. Tyto charakteristiky CMOS umožní integraci logických funkcí s vysokou hustotou do integrovaného obvodu. Z tohoto důvodu se CMOS stala nejčastěji používanou technologií prováděnou v rámci čipů VLSI. Fráze MOS je odkaz na fyzickou strukturu MOSFET, která zahrnuje elektrodu s kovovým hradlem, která je umístěna na horní straně oxidového izolátoru polovodičového materiálu. Materiál, jako je hliník, se použije pouze jednou, ale materiál je nyní polysilikon. Navrhování dalších kovových bran lze provést pomocí návratu prostřednictvím příchodu dielektrických materiálů s vysokým κ do procesu procesu CMOS. Obrazové snímače, jako je zařízení s vazbou na náboj (CCD) a doplňkový kov-oxid-polovodič (CMOS), jsou dva různé druhy technologií. Používají se k digitálnímu zachycení obrazu. Každý obrazový snímač má své výhody, nevýhody a aplikace. Hlavním rozdílem mezi CCD a CMOS je způsob zachycení rámečku. Zařízení s vazbou na náboj, jako je CCD, používá globální závěrku, zatímco CMOS používá pohyblivou závěrku. Tyto dva obrazové snímače mění náboj ze světla na elektrický a zpracovávají jej na elektronické signály. Výrobní proces používaný v CCD je speciální pro vytvoření kapacity pro pohyb náboje přes IC bez změny. Tento výrobní proces tedy může vést k extrémně kvalitním senzorům o citlivosti a věrnosti světla. Naproti tomu čipy CMOS používají k návrhu čipu pevné výrobní postupy a podobný proces lze také použít při výrobě mikroprocesorů. Kvůli rozdílům ve výrobě existují určité zjevné odlišnosti mezi senzory, jako je CCD 7 CMOS. CCD snímače budou snímat obrázky s menším šumem a vysokou kvalitou, zatímco snímače CMOS jsou obvykle náchylnější k šumu. CMOS obvykle spotřebovává méně energie, zatímco CCD spotřebovává spoustu energie, například více než stokrát, na snímač CMOS. Výroba čipů CMOS může být provedena na jakékoli typické výrobní lince Si, protože mají tendenci být ve srovnání s CCD velmi levné. Senzory CCD jsou vyspělejší, protože jsou sériově vyráběny po dlouhou dobu. Snímače CMOS i CCD jsou závislé na účinku fotoelektrického generování elektrického signálu ze světla Na základě výše uvedených rozdílů se CCD používají v kamerách k cílení vysoce kvalitního obrazu prostřednictvím mnoha pixelů a vynikající světelné citlivosti. Senzory CMOS mají obvykle menší rozlišení, kvalitu a citlivost. Blokování lze definovat, jako když dojde ke zkratu mezi dvěma svorkami, jako je napájení a zem, takže může být generován vysoký proud a může dojít k poškození IC. V CMOS je latch-up výskyt stopy s nízkou impedancí mezi napájecí a pozemní kolejnicí kvůli komunikaci mezi dvěma tranzistory, jako jsou parazitní PNP a NPN tranzistory . V obvodu CMOS jsou dva tranzistory jako PNP a NPN připojeny ke dvěma napájecím lištám jako VDD a GND. Ochrana těchto tranzistorů může být provedena pomocí rezistorů. U blokovacího přenosu bude proud proudit z VDD na GND přímo skrz dva tranzistory, takže může dojít ke zkratu, takže extrémní proud bude proudit z VDD na zemnící svorku. Existují různé metody prevence blokování V prevenci blokování lze do stezky umístit vysoký odpor, aby se zastavil tok proudu napříč napájením a aby se β1 * β2 pod 1 pomocí následujících metod. Struktura parazitické SCR bude vytvořena v okolí tranzistorů, jako jsou PMOS a NMOS, přes izolační vrstvu oxidu. Technologie ochrany proti zablokování vypne zařízení, jakmile si všimnete zablokování. Testovací služby blokování mohou provádět mnozí prodejci na trhu. Tento test lze provést sledem pokusů o aktivaci struktury SCR v IC CMOS, zatímco související piny se kontrolují, když jím protéká nadproud. Doporučuje se získat první vzorky z experimentální šarže a poslat je do testovací laboratoře Latch-up. Tato laboratoř použije maximální dosažitelný zdroj napájení a poté poskytne proudový vstup na vstupy a výstupy čipu, kdykoli dojde k Latch-up prostřednictvím monitorování proudu. Mezi výhody CMOS patří následující. Mezi hlavní výhody CMOS oproti TTL patří dobrá úroveň šumu a nižší spotřeba energie. To je způsobeno žádným přímým vodivým pruhem z VDD na GND, časem pádu na základě podmínek vstupu, pak se přenos digitálního signálu stane snadným a levným prostřednictvím čipů CMOS. CMOS se používá k vysvětlení velikosti paměti na základní desce počítače, která se uloží v nastavení systému BIOS. Tato nastavení zahrnují hlavně datum, čas a nastavení hardwaru Výstupy, pokud CMOS řídí aktivně oběma způsoby Mezi nevýhody CMOS patří následující. Doplňkové MOS procesy byly široce implementovány a zásadně nahradily NMOS a bipolární procesy pro téměř všechny aplikace digitální logiky. Technologie CMOS byla použita pro následující digitální designy IC. To znamená, že CMOS tranzistor je velmi slavný protože efektivně využívají elektrickou energii. Nepoužívají elektrické napájení, kdykoli přecházejí z jedné podmínky do druhé. Také doplňkové polovodiče vzájemně fungují k zastavení o / p napětí. Výsledkem je nízkoenergetický design, který poskytuje méně tepla, z tohoto důvodu tyto tranzistory změnily jiné dřívější konstrukce, jako jsou CCD v kamerových senzorech, a využívané ve většině současných procesorů. Paměť CMOS v počítači je jakousi energeticky nezávislou pamětí RAM, která ukládá nastavení systému BIOS a informace o čase a datu. Věřím, že jste tomuto pojetí lépe porozuměli. Kromě toho jakékoli dotazy týkající se tohoto konceptu nebo projekty elektroniky , uveďte své cenné návrhy komentářem v sekci komentářů níže. Zde je otázka, proč je CMOS výhodnější než NMOS? VSTUP LOGICKÝ VSTUP VÝSTUP LOGICKÝ VÝSTUP 0 v 0 Vdd 1 Vdd 1 0 v 0 Brána CMOS NAND
NA B Rozevírací síť Vytahovací síť VÝSTUP Y 0 0 VYPNUTO NA 1 0 1 VYPNUTO NA 1 1 0 VYPNUTO NA 1 1 1 NA VYPNUTO 0 Brána CMOS NOR
NA B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Výroba CMOS
Životnost baterie CMOS
Příznaky selhání baterie CMOS
Vlastnosti CMOS
CCD vs CMOS
V některých aplikacích se snímače CMOS v poslední době zdokonalují do té míry, kdekoli dosáhnou téměř rovnosti se zařízeními CCD. Kamery CMOS obecně nejsou drahé a mají vysokou životnost baterie.Vyrovnání v CMOS
Výhody
TTL je digitální logický obvod, kde bipolární tranzistory pracují na stejnosměrných pulzech. Několik tranzistorových logických hradel je obvykle tvořeno jediným IC.Nevýhody
Aplikace CMOS
