Što je CMOS: načelo rada i njegove primjene

Izraz CMOS označava 'Komplementarni poluvodič metalnog oksida'. Ovo je jedna od najpopularnijih tehnologija u industriji dizajna računalnih čipova i danas se široko koristi za oblikovanje integrirani krugovi u brojnim i raznovrsnim primjenama. Današnja računalna sjećanja, CPU i mobiteli koriste se ovom tehnologijom zbog nekoliko ključnih prednosti. Ova tehnologija koristi i polukanalne uređaje s P i N kanalima. Jedna od najpopularnijih MOSFET tehnologija koja je danas dostupna je komplementarna MOS ili CMOS tehnologija. Ovo je dominantna poluvodička tehnologija za mikroprocesore, mikrokontrolerske čipove, memorije poput RAM-a, ROM-a, EEPROM i integrirani krugovi specifični za primjenu (ASIC).

Uvod u MOS tehnologiju

U IC dizajnu, osnovna i najvažnija komponenta je tranzistor. Dakle, MOSFET je jedna vrsta tranzistora koji se koristi u mnogim primjenama. Formiranje ovog tranzistora može se izvršiti poput sendviča uključivanjem poluvodičkog sloja, općenito oblatne, kriška od monokristala silicija, sloja silicijevog dioksida i metalnog sloja. Ti slojevi omogućuju stvaranje tranzistora u poluvodičkom materijalu. Dobar izolator poput Sio2 ima tanak sloj debljine stotinu molekula.

Tranzistori za koje koristimo polikristalni silicij (poli) umjesto metala za svoje presjeke vrata. Polisilikonska vrata FET-a mogu se zamijeniti gotovo korištenjem metalnih vrata u IC-ovima velikih razmjera. Ponekad se polisilikonski i metalni FET nazivaju IGFET-om, što znači izolirani FET-ovi vrata, jer je Sio2 ispod vrata izolator.

CMOS (komplementarni poluvodič metalnog oksida)

Glavni prednost CMOS-a nad NMOS-om a BIPOLAR tehnologija je znatno manje rasipanje snage. Za razliku od NMOS ili BIPOLAR krugova, komplementarni MOS sklop gotovo nema statičko rasipanje snage. Snaga se rasipa samo u slučaju da se krug stvarno prebaci. To omogućuje integriranje više CMOS ulaza na IC nego u NMOS ili bipolarna tehnologija , što rezultira mnogo boljim performansama. Komplementarni poluvodički tranzistor od metalnog oksida sastoji se od P-kanala MOS (PMOS) i N-kanala MOS (NMOS). Pogledajte vezu da biste saznali više o tome postupak izrade CMOS tranzistora .

CMOS (komplementarni poluvodič metalnog oksida)

NMOS

NMOS je izgrađen na podlozi p-tipa s izvorom n-tipa i odvodom difuznim na njemu. U NMOS-u su većina nosača elektroni. Kada se na ulaz primijeni visoki napon, NMOS će provesti. Slično tome, kada se na ulaz primijeni nizak napon, NMOS neće provoditi. Smatra se da je NMOS brži od PMOS-a, jer nosači u NMOS-u, a to su elektroni, putuju dvostruko brže od rupa.

NMOS tranzistor

PMOS

MOSFET s P-kanalom sastoji se od izvora vrste P i odvoda raspršenog na podlozi tipa N. Većina nosača su rupe. Kada se na ulaz primijeni visoki napon, PMOS neće provoditi. Kada se na ulaz primijeni nizak napon, PMOS će provesti. PMOS uređaji imuniji su na buku od NMOS uređaja.

Tranzistor PMOS

Načelo rada CMOS-a

U CMOS tehnologiji, tranzistori N-tipa i P-tipa koriste se za projektiranje logičkih funkcija. Isti signal koji UKLJUČUJE tranzistor jednog tipa koristi se za ISKLJUČIVANJE tranzistora drugog tipa. Ova karakteristika omogućuje dizajn logičkih uređaja koji koriste samo jednostavne prekidače, bez potrebe za pull-up otpornikom.

U CMOS-u logička vrata kolekcija MOSFET-ova tipa n raspoređena je u padajućoj mreži između izlaza i niskonaponske opskrbne tračnice (Vss ili često zemlja). Umjesto otpora opterećenja NMOS logičkih ulaza, CMOS logička vrata imaju kolekciju MOSFET-ova tipa p u pull-up mreži između izlaza i visokonaponske tračnice (često nazvane Vdd).

CMOS pomoću Pull Up & Pull Down

Dakle, ako su i p-tipu i n-tipu tranzistora priključci povezani na isti ulaz, MOSFET p-tipa bit će UKLJUČEN kada je MOSFET n-tipa ISKLJUČEN, i obrnuto. Mreže su raspoređene tako da je jedna UKLJUČENA, a druga ISKLJUČENA za bilo koji obrazac unosa kao što je prikazano na donjoj slici.

CMOS nudi relativno velike brzine, malu disipaciju snage, velike granice buke u oba stanja i radit će u širokom rasponu izvora i ulaznih napona (pod uvjetom da je napon izvora fiksan). Nadalje, za bolje razumijevanje principa rada komplementarnog metal-oksidnog poluvodiča, moramo u kratkim crtama razgovarati o CMOS logičkim vratima kako je objašnjeno u nastavku.

Koji uređaji koriste CMOS?

Tehnologija poput CMOS-a koristi se u različitim čipovima poput mikrokontrolera, mikroprocesora, SRAM-a (statički RAM) i ostalih digitalnih logičkih sklopova. Ova se tehnologija koristi u širokom rasponu analognih sklopova koji uključuju pretvarače podataka, senzore slike i visoko ugrađene primopredajnike za nekoliko vrsta komunikacije.

CMOS pretvarač

Krug pretvarača kako je prikazano na donjoj slici. Sastoji se od PMOS i NMOS FET . Ulaz A služi kao napon vrata za oba tranzistora.

NMOS tranzistor ima ulaz iz Vss (uzemljenje), a PMOS tranzistor ima ulaz iz Vdd. Izlazi terminal Y. Kad se na ulaznom priključku (A) pretvarača daje visoki napon (~ Vdd), PMOS postaje prekidni krug, a NMOS ISKLJUČEN pa će se izlaz povući prema Vss.

CMOS pretvarač

Kada napon niske razine (

CMOS NAND vrata

Donja slika prikazuje 2-ulazna komplementarna MOS NAND vrata. Sastoji se od dvije serije NMOS tranzistora između Y i uzemljenja i dva paralelna PMOS tranzistora između Y i VDD.

Ako je bilo koji od ulaza A ili B logički 0, barem jedan od NMOS tranzistora bit će ISKLJUČEN, prekidajući put od Y do uzemljenja. Ali barem jedan od pMOS tranzistora bit će UKLJUČEN, stvarajući put od Y do VDD.

Dva ulazna NAND vrata

Stoga će izlaz Y biti visok. Ako su oba ulaza visoka, oba nMOS tranzistora će biti UKLJUČENA, a oba pMOS tranzistora ISKLJUČENA. Stoga će izlaz biti logički nizak. Tablica istinitosti logičkih vrata NAND dana u donjoj tablici.

CMOS NI vrata

2-ulazna NOR vrata prikazana su na donjoj slici. NMOS tranzistori paralelno povlače izlaz nisko kada je bilo koji ulaz visok. Tranzistori PMOS u nizu povlače izlaz visoko kad su oba ulaza niska, kao što je dato u donjoj tablici. Izlaz nikada ne ostaje plutajući.

Dva ulazna NOR vrata

Tablica istinitosti NOR logičkih vrata data u donjoj tablici.

CMOS izrada

Izrada CMOS tranzistora može se izvršiti na pločici od silicija. Promjer oblatne kreće se od 20 mm do 300 mm. U tome je postupak litografije isti kao tiskarski stroj. Na svakom koraku mogu se taložiti različiti materijali, ugravirani na drugi način. Ovaj je postupak vrlo jednostavan za razumijevanje gledanjem vrha oblatne kao i presjeka unutar pojednostavljene metode sastavljanja. Izrada CMOS-a može se postići korištenjem tri tehnologije, a to su N-zdenac pt P-zdenac, Dvostruka bušotina, SOI (Silicij na izolatoru). Pogledajte ovu vezu da biste saznali više o CMOS izrada .

Životni vijek CMOS baterije

Uobičajeni životni vijek CMOS baterije je približno 10 godina. Ali, to se može promijeniti na temelju upotrebe i okruženja gdje god se računalo nalazi.

Simptomi kvara CMOS baterije

Kada CMOS baterija zakaže, računalo ne može održavati točno vrijeme i datum na računalu nakon što je isključeno. Na primjer, nakon što je računalo UKLJUČENO, možda ćete vidjeti vrijeme i datum poput 12:00 i 1. siječnja 1990. Ova greška znači da CMOS baterija nije uspjela.

• Pokretanje prijenosnog računala je teško
• Zvučni signal može se kontinuirano generirati s matične ploče računala
• Vrijeme i datum su resetirani
• Periferija računala ne reagira ispravno
• Poginuli su hardverski pokretački programi
• Internet se ne može povezati.

CMOS karakteristike

Najvažnije karakteristike CMOS-a su niska iskorištenost statičke snage, velika otpornost na buku. Kada se pojedinačni tranzistor iz para MOSFET tranzistora ISKLJUČI, tada serijska kombinacija koristi značajnu snagu tijekom prebacivanja između dva navedena, poput ON i OFF.

Kao rezultat, ovi uređaji ne generiraju otpadnu toplinu u usporedbi s drugim vrstama logičkih sklopova kao što su TTL ili NMOS logika, koji obično koriste neku stalnu struju, čak i ako ne mijenjaju svoje stanje.

Ove CMOS karakteristike omogućit će integriranje logičkih funkcija velike gustoće u integrirani krug. Zbog toga je CMOS postao najčešće korištena tehnologija koja se izvodi u VLSI čipovima.

Izraz MOS referenca je na fizičku strukturu MOSFET-a koja uključuje elektrodu s metalnim vratima koja se nalazi na vrhu oksidnog izolatora poluvodičkog materijala.

Materijal poput aluminija koristi se samo jednom, međutim materijal je sada polisilicij. Dizajn ostalih metalnih vrata može se izvršiti povratkom dolaskom visoko-κ dielektričnih materijala unutar procesa CMOS postupka.

CCD protiv CMOS-a

Slikovni senzori poput uređaja s naponom (CCD) i komplementarnog metal-oksid-poluvodiča (CMOS) dvije su različite vrste tehnologija. Koriste se za digitalno snimanje slike. Svaki senzor slike ima svoje prednosti, nedostatke i primjenu.

Glavna razlika između CCD i CMOS-a je način snimanja kadra. Uređaj povezan s nabojem poput CCD-a koristi globalni zatvarač, dok CMOS koristi rolo vrata. Ova dva senzora slike mijenjaju naboj iz svjetlosti u električni i obrađuju ga u elektroničke signale.

Proces proizvodnje koji se koristi u CCD-ima je poseban za stvaranje sposobnosti premještanja naboja preko IC-a bez izmjena. Dakle, ovaj proizvodni postupak može dovesti do izuzetno visokokvalitetnih senzora o osjetljivosti i vjernosti svjetlosti.

Suprotno tome, CMOS čipovi koriste fiksne proizvodne postupke za dizajn čipa, a sličan postupak također se može koristiti u izradi mikroprocesora. Zbog razlika u proizvodnji, postoje neke jasne razlike među senzorima poput CCD 7 CMOS-a.

CCD senzori snimit će slike s manje šuma i velike kvalitete, dok su CMOS senzori obično podložniji buci.

CMOS obično troši manje energije, dok CCD koristi puno snage, poput CMOS senzora više od 100 puta.

Proizvodnja CMOS čipova može se obaviti na bilo kojoj tipičnoj proizvodnoj liniji Si jer su oni vrlo jeftini u usporedbi s CCD-ima. CCD senzori su zreliji jer se masovno proizvode dulje vrijeme.

I CMOS i CCD snimači ovise o učinku fotoelektrika na stvaranje električnog signala od svjetlosti

Na temelju gore navedenih razlika, CCD-ovi se koriste u kamerama za ciljanje visokokvalitetnih slika kroz puno piksela i izvanrednu osjetljivost na svjetlost. CMOS senzori obično imaju manje razlučivosti, kvalitete i osjetljivosti.
U nekim se primjenama CMOS senzori u posljednje vrijeme poboljšavaju do te mjere gdje postignu gotovo jednaku razinu s CCD uređajima. Općenito, CMOS kamere nisu skupe i imaju dug životni vijek baterije.

Usporavanje u CMOS-u

Zaključavanje se može definirati kao slučaj kratkog spoja između dva terminala kao što su napajanje i uzemljenje, tako da se može generirati velika struja i oštetiti IC. U CMOS-u, zasun je pojava niske impedancije među pogonskom tračnicom i zemaljskom tračnicom zbog komunikacije između dva tranzistora poput parazitskih PNP i NPN tranzistori .

U CMOS krugu, dva tranzistora poput PNP i NPN spojena su na dvije opskrbne tračnice poput VDD i GND. Zaštita ovih tranzistora može se izvršiti pomoću otpornika.

U zasunu prijenosa, struja će teći od VDD do GND ravno kroz dva tranzistora, tako da može doći do kratkog spoja, tako da će ekstremna struja teći od VDD do priključka na masu.

Postoje različite metode za prevenciju zasuna

U prevenciji zasuka, na trag se može postaviti visoki otpor kako bi se zaustavio protok struje kroz cijelu opskrbu i kako bi se β1 * β2 spustio ispod 1 pomoću sljedećih metoda.

Struktura parazitskog SCR prodire u okolinu tranzistora poput PMOS i NMOS kroz izolacijski oksidni sloj. Tehnologija zaštite zasuna isključit će uređaj kad se primijeti zasun.

Usluge testiranja zaključavanja mogu obaviti mnogi dobavljači na tržištu. Ovaj se test može izvesti nizom pokušaja aktiviranja strukture SCR-a u CMOS-ovoj IC, dok se srodni pinovi provjeravaju kada preko njega prolazi prekomjerna struja.

Savjetuje se da se prvi uzorci dobiju iz eksperimentalne serije i pošalju u ispitni laboratorij Latch-up-a. Ovaj će laboratorij primijeniti krajnje dostižno napajanje i zatim osigurati trenutnu opskrbu ulaza i izlaza čipa kad god dođe do zastoja praćenjem trenutne opskrbe.

Prednosti

Prednosti CMOS-a uključuju sljedeće.

Glavne prednosti CMOS-a u odnosu na TTL su dobra margina šuma kao i manja potrošnja energije. To je zbog nepostojanja ravne vodljive trake od VDD do GND-a, padajućeg vremena na temelju ulaznih uvjeta, tada će prijenos digitalnog signala postati jednostavan i jeftin kroz CMOS čipove.

CMOS se koristi za objašnjenje količine memorije na matičnoj ploči računala koja će se pohraniti u postavkama BIOS-a. Te postavke uglavnom uključuju datum, vrijeme i postavke hardvera
TTL je digitalni logički sklop u kojem bipolarni tranzistori rade na istosmjernim impulsima. Nekoliko tranzistorskih logičkih ulaza obično je sastavljeno od jedne IC.

Izlazi ako CMOS aktivno vozi na oba načina

• Koristi jedno napajanje poput + VDD
• Ta su vrata vrlo jednostavna
• Ulazna impedancija je velika
• CMOS logika troši manje energije kad god se drži u postavljenom stanju
• Rasipanje snage je zanemarivo
• Ventilator je visok
• TTL kompatibilnost
• Stabilnost temperature
• Imunost na buku je dobra
• Kompaktan
• Dizajniranje je vrlo dobro
• Robusno mehanički
• Logički zamah je velik (VDD)

Mane

Nedostaci CMOS-a uključuju sljedeće.

• Trošak će se povećati nakon povećanja koraka obrade, no to se može riješiti.
• Gustoća pakiranja CMOS-a mala je u usporedbi s NMOS-om.
• MOS čipove treba osigurati od dobivanja statičkih naboja postavljanjem kratko spojenih elektroda, inače će statički naboji dobiveni unutar elektroda oštetiti čip. Ovaj se problem može riješiti uključivanjem zaštitnih krugova inače uređaja.
• Još jedan nedostatak CMOS pretvarača je taj što koristi dva tranzistora za razliku od jednog NMOS-a za izgradnju pretvarača, što znači da CMOS koristi više prostora nad čipom u usporedbi s NMOS-om. Ti su nedostaci mali zbog napretka unutar CMOS tehnologije.

CMOS aplikacije

Dopunski MOS procesi široko su implementirani i u osnovi su zamijenili NMOS i bipolarne procese za gotovo sve digitalne logičke aplikacije. CMOS tehnologija korištena je za sljedeće digitalne IC dizajne.

• Računalne memorije, CPU
• Dizajniranje mikroprocesora
• Projektiranje flash memorijskog čipa
• Koristi se za projektiranje integriranih krugova specifičnih za primjenu (ASIC)

Dakle, CMOS tranzistor je vrlo poznat jer učinkovito koriste električnu energiju. Ne koriste opskrbu električnom energijom kad god se mijenjaju iz jednog stanja u drugo. Također, besplatni poluvodiči međusobno rade kako bi zaustavili o / p napon. Rezultat je dizajn male snage koji pruža manje topline, zbog toga su ovi tranzistori promijenili druge ranije dizajne poput CCD-a unutar senzora kamere i koji se koriste u većini trenutnih procesora. Memorija CMOS-a unutar računala je vrsta trajne RAM memorije koja pohranjuje postavke BIOS-a i podatke o vremenu i datumu.

Vjerujem da ste bolje razumjeli ovaj koncept. Nadalje, bilo kakva pitanja u vezi s ovim konceptom ili elektronički projekti , dajte svoje vrijedne prijedloge komentirajući u odjeljku za komentare u nastavku. Evo pitanja za vas, zašto je CMOS bolji od NMOS-a?