Què és un CMOS: principi de treball i les seves aplicacions

Proveu El Nostre Instrument Per Eliminar Problemes





El terme CMOS significa 'Semiconductor d'òxid metàl·lic complementari'. Aquesta és una de les tecnologies més populars a la indústria del disseny de xips d’ordinador i actualment s’utilitza àmpliament per formar-la circuits integrats en nombroses i variades aplicacions. Les memòries d’ordinador, les CPU i els telèfons mòbils actuals fan ús d’aquesta tecnologia a causa de diversos avantatges clau. Aquesta tecnologia fa ús de dispositius semiconductors amb canal P i canal N. Una de les tecnologies MOSFET més populars disponibles avui en dia és la tecnologia MOS o CMOS complementària. Aquesta és la tecnologia de semiconductors dominant per a microprocessadors, xips de microcontroladors, memòries com RAM, ROM, EEPROM i circuits integrats específics de l’aplicació (ASIC).

Introducció a la tecnologia MOS

En el disseny de CI, el component bàsic i més essencial és el transistor. Així doncs, el MOSFET és un tipus de transistor utilitzat en moltes aplicacions. La formació d’aquest transistor es pot fer com un sandvitx incloent una capa de semiconductor, generalment una hòstia, una llesca d’un sol cristall de silici, una capa de diòxid de silici i una capa de metall. Aquestes capes permeten formar els transistors dins del material semiconductor. Un bon aïllant com Sio2 té una capa fina amb un gruix de cent molècules.




Els transistors que utilitzem silici policristal·lí (poli) en lloc de metall per a les seves seccions de porta. La porta Polysilicon de FET es pot substituir gairebé utilitzant portes metàl·liques en circuits integrats a gran escala. De vegades, tant FET de polisilici com de metall s’anomenen IGFET, que significa FET de porta aïllada, perquè el Sio2 que hi ha a sota de la porta és un aïllant.

CMOS (semiconductor complementari d’òxid metàl·lic)

El principal avantatge de CMOS sobre NMOS i la tecnologia BIPOLAR és la dissipació d'energia molt més petita. A diferència dels circuits NMOS o BIPOLAR, un circuit MOS complementari gairebé no disposa de potència estàtica. La potència només es dissipa en cas que el circuit realment canviï. Això permet integrar més portes CMOS en un IC que en NMOS o tecnologia bipolar , donant lloc a un rendiment molt millor. El transistor semiconductor d’òxid de metall complementari està format per MOS de canal P (PMOS) i MOS de canal N (NMOS). Consulteu l'enllaç per obtenir més informació el procés de fabricació del transistor CMOS .



CMOS (semiconductor complementari d’òxid metàl·lic)

CMOS (semiconductor complementari d’òxid metàl·lic)

NMOS

NMOS està construït sobre un substrat de tipus p amb font de tipus n i drenatge difós. A NMOS, la majoria dels portadors són electrons. Quan s'aplica una alta tensió a la porta, el NMOS conduirà. De la mateixa manera, quan s'aplica una baixa tensió a la porta, NMOS no conduirà. Es considera que NMOS és més ràpid que PMOS, ja que els portadors de NMOS, que són electrons, viatgen el doble de ràpid que els forats.

Transistor NMOS

Transistor NMOS

PMOS

El MOSFET del canal P consta de Source i Drain de tipus P difosos sobre un substrat de tipus N. La majoria de transportistes són forats. Quan s'aplica una alta tensió a la porta, el PMOS no conduirà. Quan s'aplica una baixa tensió a la porta, el PMOS conduirà. Els dispositius PMOS són més immunes al soroll que els dispositius NMOS.


Transistor PMOS

Transistor PMOS

Principi de treball CMOS

A la tecnologia CMOS, tant els transistors de tipus N com el de P s’utilitzen per dissenyar funcions lògiques. El mateix senyal que engega un transistor d’un tipus s’utilitza per apagar un transistor de l’altre tipus. Aquesta característica permet el disseny de dispositius lògics utilitzant només commutadors simples, sense la necessitat d'una resistència de tracció.

A CMOS portes lògiques una col·lecció de MOSFET de tipus n es disposa en una xarxa desplegable entre la sortida i el rail d'alimentació de baixa tensió (Vss o massa sovint a terra). En lloc de la resistència de càrrega de les portes lògiques NMOS, les portes lògiques CMOS tenen una col·lecció de MOSFET de tipus p en una xarxa de tracció entre la sortida i el carril de major voltatge (sovint anomenat Vdd).

CMOS mitjançant Pull Up & Pull Down

CMOS mitjançant Pull Up & Pull Down

Per tant, si tant un transistor de tipus p com de tipus n tenen les seves portes connectades a la mateixa entrada, el MOSFET de tipus p estarà activat quan el MOSFET de tipus n estigui apagat i viceversa. Les xarxes estan disposades de manera que una estigui activada i l’altra apagada per a qualsevol patró d’entrada tal com es mostra a la figura següent.

El CMOS ofereix una velocitat relativament alta, baixa dissipació de potència, marges de soroll elevats en ambdós estats i funcionarà en una àmplia gamma de tensions de font i d'entrada (sempre que la tensió de la font sigui fixa). A més, per a una millor comprensió del principi de funcionament dels semiconductors d’òxid metàl·lic complementari, hem de discutir breument les portes lògiques CMOS tal com s’explica a continuació.

Quins dispositius fan servir CMOS?

La tecnologia com CMOS s’utilitza en diferents xips com microcontroladors, microprocessadors, SRAM (RAM estàtica) i altres circuits lògics digitals. Aquesta tecnologia s'utilitza en una àmplia gamma de circuits analògics que inclouen convertidors de dades, sensors d'imatge i transceptors altament incorporats per a diversos tipus de comunicació.

Inversor CMOS

El circuit inversor tal com es mostra a la figura següent. Consisteix en PMOS i NMOS FET . L'entrada A serveix com a tensió de la porta dels dos transistors.

El transistor NMOS té entrada des de Vss (terra) i el transistor PMOS té entrada des de Vdd. La terminal Y surt. Quan es dóna una tensió alta (~ Vdd) al terminal d'entrada (A) de l'inversor, el PMOS es converteix en un circuit obert i el NMOS s'apaga, de manera que la sortida es reduirà a Vss.

Inversor CMOS

Inversor CMOS

Quan un voltatge de baix nivell (

ENTRADA ENTRADA LOGGICA SORTIDA SORTIDA LOGGICA
0 v0Vdd1
Vdd10 v0

Porta CMOS NAND

La figura següent mostra una porta complementària MOS NAND de 2 entrades. Consta de dos transistors NMOS de la sèrie entre Y i Ground i dos transistors PMOS paral·lels entre Y i VDD.

Si l'entrada A o B és lògica 0, almenys un dels transistors NMOS estarà DESACTIVAT, trencant el camí des de Y fins a terra. Però almenys un dels transistors pMOS estarà ON, creant un camí des de Y fins a VDD.

Porta NAND de dues entrades

Porta NAND de dues entrades

Per tant, la producció Y serà elevada. Si les dues entrades són altes, els dos transistors nMOS estaran activats i els dos transistors pMOS estaran DESACTIVATS. Per tant, la sortida serà lògica baixa. La taula de veritat de la porta lògica NAND que es mostra a la taula següent.

A B Xarxa desplegable Xarxa pull-up SORTIDA Y
00DESACTIVATACTIVAT1
01DESACTIVATACTIVAT1
10DESACTIVATACTIVAT1
11ACTIVATDESACTIVAT0

Porta CMOS NOR

A la figura següent es mostra una porta NOR de 2 entrades. Els transistors NMOS estan en paral·lel per baixar la sortida quan qualsevol entrada és alta. Els transistors PMOS estan en sèrie per elevar la sortida quan les dues entrades són baixes, tal com es mostra a la taula següent. La sortida no es deixa mai flotant.

Porta NOR de dues entrades

Porta NOR de dues entrades

La taula de veritat de la porta lògica NOR que es mostra a la taula següent.

A B I
001
010
100
110

Fabricació CMOS

La fabricació de transistors CMOS es pot fer sobre l’hòstia de silici. El diàmetre de l’hòstia oscil·la entre els 20 mm i els 300 mm. En aquest cas, el procés de litografia és el mateix que la impremta. A cada pas, es poden dipositar diferents materials, gravats amb altres patrons. Aquest procés és molt senzill d’entendre veient la part superior i la secció de l’hòstia dins d’un mètode d’ensamblatge simplificat. La fabricació de CMOS es pot aconseguir mitjançant l'ús de tres tecnologies: N-well pt P-well, Twin well, un SOI (Silicon on Insulator). Consulteu aquest enllaç per obtenir més informació Fabricació CMOS .

Una vida útil de la bateria CMOS

La vida útil típica d'una bateria CMOS és d'aproximadament 10 anys. Però això pot canviar en funció de la utilització i entorns on resideixi el PC.

Símptomes de fallada de la bateria CMOS

Quan la bateria CMOS falla, l'ordinador no pot mantenir l'hora i la data exactes a l'ordinador un cop apagat. Per exemple, un cop l’ordinador està engegat, és possible que vegeu l’hora i la data com ara les 12:00 PM i l’1 de gener de 1990. Aquest error especifica que la bateria del CMOS ha fallat.

  • L'arrencada de l'ordinador portàtil és difícil
  • El so sonor es pot generar contínuament des de la placa base de l’ordinador
  • S'han restablert l'hora i la data
  • Els perifèrics dels ordinadors no responen correctament
  • Els controladors de maquinari han desaparegut
  • Internet no es pot connectar.

Característiques CMOS

Les característiques més importants del CMOS són la baixa utilització d’energia estàtica, la immensa immunitat contra el soroll. Quan el transistor únic del parell de transistor MOSFET està apagat, la combinació de la sèrie utilitza una potència significativa durant tot el canvi entre els dos indicats, com ara ON & OFF.

Com a resultat, aquests dispositius no generen calor residual en comparació amb altres tipus de circuits lògics, com ara la lògica TTL o NMOS, que solen utilitzar una mica de corrent estacionari encara que no canviïn el seu estat.

Aquestes característiques CMOS permetran integrar funcions lògiques amb alta densitat en un circuit integrat. Per això, CMOS s'ha convertit en la tecnologia més freqüentment utilitzada per executar-se dins dels xips VLSI.

La frase MOS és una referència a l’estructura física del MOSFET que inclou un elèctrode amb una porta metàl·lica situada a la part superior d’un aïllant d’òxid de material semiconductor.

Un material com l’alumini només s’utilitza una vegada, però ara el material és polisilici. El disseny d'altres portes metàl·liques es pot fer mitjançant un retorn a través de l'arribada de materials dielèctrics d'alta within dins del procés del procés CMOS.

CCD Vs CMOS

Els sensors d’imatge com el dispositiu acoblat de càrrega (CCD) i el semiconductor òxid de metall complementari (CMOS) són dos tipus diferents de tecnologies. S’utilitzen per capturar la imatge digitalment. Cada sensor d'imatge té els seus avantatges, desavantatges i aplicacions.

La principal diferència entre CCD i CMOS és la manera de capturar el marc. Un dispositiu acoblat a càrrega com el CCD utilitza un obturador global mentre que el CMOS utilitza un obturador rodant. Aquests dos sensors d’imatge canvien la càrrega de la llum a la elèctrica i la transformen en senyals electròniques.

El procés de fabricació utilitzat als CCDs és especial per formar la capacitat de desplaçar la càrrega a través del CI sense alteracions. Per tant, aquest procés de fabricació pot conduir a sensors d’alta qualitat sobre sensibilitat i fidelitat a la llum.

En canvi, els xips CMOS utilitzen procediments de fabricació fixos per dissenyar el xip i també es pot utilitzar un procés similar per fabricar els microprocessadors. A causa de les diferències en la fabricació, hi ha algunes diferències clares entre els sensors com el CCD 7 CMOS.

Els sensors CCD capturaran les imatges amb menys soroll i una qualitat enorme, mentre que els sensors CMOS solen ser més propensos al soroll.

Normalment, el CMOS utilitza menys energia, mentre que el CCD utilitza molta energia, com més de 100 vegades el sensor CMOS.

La fabricació de xips CMOS es pot fer en qualsevol línia de producció típica de Si perquè solen ser molt barats en comparació amb els CCD. Els sensors CCD són més madurs perquè es produeixen en massa durant un llarg període.

Tant les imatges CMOS com les CCD depenen de l’efecte del fotoelèctric per produir el senyal elèctric de la llum

Segons les diferències anteriors, els CCD s’utilitzen a les càmeres per orientar imatges d’alta qualitat mitjançant molts píxels i una sensibilitat a la llum excepcional. Normalment, els sensors CMOS tenen menys resolució, qualitat i sensibilitat.
En algunes aplicacions, els sensors CMOS han millorat recentment fins al punt on assoleixen gairebé la igualtat amb els dispositius CCD. En general, les càmeres CMOS no són cares i tenen una vida útil elevada de la bateria.

Latch-Up en CMOS

Es pot definir un tancament com quan es produeix un curtcircuit entre els dos terminals com l'alimentació i la terra, de manera que es pot generar un alt corrent i es pot danyar l'IC. A CMOS, el latch-up és l’aparició de rutes de baixa impedància entre el rail de terra i el rail de terra a causa de la comunicació entre els dos transistors, com ara PNP i NPN paràsits. transistors .

Al circuit CMOS, els dos transistors com PNP i NPN estan connectats a dos carrils de subministrament com VDD i GND. La protecció d’aquests transistors es pot fer mitjançant resistències.

En una transmissió tancada, el corrent fluirà de VDD a GND directament a través dels dos transistors de manera que es pugui produir un curtcircuit, de manera que correrà un corrent extrem des de VDD fins al terminal de terra.

Hi ha diferents mètodes per prevenir el bloqueig

En prevenció de bloqueig, es pot col·locar una alta resistència a la pista per aturar el flux de corrent durant tot el subministrament i fer que β1 * β2 sigui inferior a 1 mitjançant els mètodes següents.

L'estructura de SCR parasitària es beccarà als voltants de transistors com PMOS i NMOS a través d'una capa d'òxid aïllant. La tecnologia de protecció de bloqueig apagarà el dispositiu un cop es noti el bloqueig.

Molts proveïdors del mercat poden fer els serveis de proves de tancament. Aquesta prova es pot fer mitjançant una seqüència d’intents d’activar l’estructura de SCR al CMOS IC mentre que els pins relacionats es comproven quan hi circula una sobrecorrent.

Es recomana obtenir les primeres mostres del lot experimental i enviar-les a un laboratori de proves de Latch-up. Aquest laboratori aplicarà la màxima font d’alimentació possible i, a continuació, subministrarà el subministrament actual a les entrades i sortides del xip sempre que es produeixi un Latch-up mitjançant el control del subministrament actual.

Avantatges

Els avantatges de CMOS inclouen els següents.

Els principals avantatges de CMOS sobre TTL són un bon marge de soroll i un menor consum d'energia. Això es deu al fet que no hi ha cap carril de conducció recta de VDD a GND, els temps de caiguda en funció de les condicions d'entrada, la transmissió del senyal digital serà fàcil i de baix cost mitjançant xips CMOS.

CMOS s’utilitza per explicar la quantitat de memòria de la placa base de l’ordinador que s’emmagatzemarà a la configuració del BIOS. Aquests paràmetres inclouen principalment la data, l'hora i la configuració del maquinari
TTL és un circuit lògic digital on els transistors bipolars treballen en impulsos de corrent continu. Diverses portes lògiques de transistors normalment estan formades per un únic CI.

Les sortides si el CMOS condueix activament de les dues maneres

  • Utilitza una única font d’alimentació com + VDD
  • Aquestes portes són molt senzilles
  • La impedància d’entrada és alta
  • La lògica CMOS utilitza menys energia sempre que es manté en un estat establert
  • La dissipació d'energia és insignificant
  • El ventilador és alt
  • Compatibilitat TTL
  • Estabilitat de la temperatura
  • La immunitat contra el soroll és bona
  • Compacte
  • Dissenyar està molt bé
  • Robust mecànicament
  • El swing lògic és gran (VDD)

Desavantatges

Els desavantatges de CMOS són els següents.

  • El cost s'incrementarà un cop augmentin els passos de processament, però es pot resoldre.
  • La densitat d’embalatge de CMOS és baixa en comparació amb NMOS.
  • Els xips MOS s’han d’assegurar que no s’aconsegueixin càrregues estàtiques col·locant els cables en curt, en cas contrari, les càrregues estàtiques obtingudes dins dels cables danyaran el xip. Aquest problema es pot solucionar incloent circuits de protecció en cas contrari dispositius.
  • Un altre inconvenient de l’inversor CMOS és que utilitza dos transistors a diferència d’un NMOS per construir un inversor, cosa que significa que el CMOS utilitza més espai sobre el xip en comparació amb el NMOS. Aquests inconvenients són petits a causa del progrés de la tecnologia CMOS.

Aplicacions CMOS

Els processos MOS complementaris es van implementar àmpliament i han substituït fonamentalment els processos NMOS i bipolars per a gairebé totes les aplicacions de lògica digital. La tecnologia CMOS s’ha utilitzat per als següents dissenys d’IC digitals.

  • Memòries d'ordinador, CPU
  • Dissenys de microprocessadors
  • Disseny de xips de memòria flash
  • S'utilitza per dissenyar circuits integrats específics de l'aplicació (ASIC)

Així, el El transistor CMOS és molt famós perquè utilitzen l’energia elèctrica de manera eficient. No utilitzen el subministrament elèctric sempre que canvien d'un estat a un altre. A més, els semiconductors complementaris funcionen mútuament per aturar la tensió o / p. El resultat és un disseny de baixa potència que proporciona menys calor, per aquesta raó, aquests transistors han canviat altres dissenys anteriors, com ara els CCD dels sensors de la càmera, i s’utilitzen en la majoria dels processadors actuals. La memòria del CMOS dins d’un ordinador és una mena de RAM no volàtil que emmagatzema la configuració del BIOS i la informació de l’hora i la data.

Crec que heu entès millor aquest concepte. A més, qualsevol consulta sobre aquest concepte o projectes electrònics Si us plau, doneu els vostres valuosos suggeriments comentant a la secció de comentaris a continuació. Aquí teniu una pregunta, per què és preferible CMOS que NMOS?