Mis on CMOS: tööpõhimõte ja selle rakendused

Mõiste CMOS tähistab „täiendavat metalloksiidi pooljuhti“. See on arvuti kiibidisaini tööstuse üks populaarsemaid tehnoloogiaid ja seda kasutatakse tänapäeval laialdaselt selle moodustamiseks integraallülitused arvukates ja mitmekesistes rakendustes. Tänapäeva arvutimälud, protsessorid ja mobiiltelefonid kasutavad seda tehnoloogiat mitme peamise eelise tõttu. See tehnoloogia kasutab nii P- kui ka N-kanaliga pooljuhtseadmeid. Üks populaarsemaid MOSFET-tehnoloogiaid, mis tänapäeval saadaval on, on täiendav MOS- või CMOS-tehnoloogia. See on mikroprotsessorite, mikrokontrolleri kiipide, mälude, näiteks RAM, ROM, domineeriv pooljuhttehnoloogia. EEPROM ja rakendusspetsiifilised integraallülitused (ASIC).

Sissejuhatus MOS-tehnoloogiasse

IC-konstruktsioonis on peamine ja kõige olulisem komponent transistor. Nii et MOSFET on ühte tüüpi transistor, mida kasutatakse paljudes rakendustes. Selle transistori saab moodustada nagu võileiva, lisades pooljuhi kihi, tavaliselt vahvli, ränikristalli viilu, ränidioksiidikihi ja metallikihi. Need kihid võimaldavad transistore moodustada pooljuhtmaterjalis. Sellisel heal isolaatoril nagu Sio2 on õhuke kiht saja molekuli paksusega.

Transistorid, mille väravasektsioonides kasutame metalli asemel polükristallilist räni (polü). FET-i ränidioksiidi väravaid saab asendada peaaegu metallväravate abil suuremahulistes IC-des. Mõnikord nimetatakse nii polüsiidi kui ka metalli FET-sid IGFET-ideks, mis tähendab isoleeritud värava FET-sid, kuna värava all olev Sio2 on isolaator.

CMOS (täiendav metalloksiidist pooljuht)

Peamine CMOS-i eelis NMOS-i ees ja BIPOLAR tehnoloogia on palju väiksem võimsuse hajumine. Erinevalt NMOS- või BIPOLAR-ahelatest pole täiendaval MOS-vooluringil peaaegu mingit staatilist võimsuse hajumist. Võimsus hajub ainult juhul, kui vooluahel tõesti lülitub. See võimaldab integreerida IC-le rohkem CMOS-väravaid kui NMOS-is või bipolaarne tehnoloogia , mille tulemuseks on palju parem jõudlus. Täiendav metalloksiidist pooljuhttransistor koosneb P-kanaliga MOS-st (PMOS) ja N-kanaliga MOS-st (NMOS). Lisateabe saamiseks vaadake linki CMOS-transistori valmistamisprotsess .

CMOS (täiendav metalloksiidist pooljuht)

NMOS

NMOS on ehitatud p-tüüpi substraadile, millel on n-tüüpi allikas ja sellel hajutatud äravool. NMOS-s on enamus kandjatest elektronid. Kui väravale rakendatakse kõrgepinge, juhib NMOS. Samamoodi ei toimi NMOS, kui väravale rakendatakse madalpinge. NMOS-i peetakse PMOS-ist kiiremaks, kuna NMOS-i kandjad, mis on elektronid, liiguvad aukudest kaks korda kiiremini.

NMOS-transistor

PMOS

P-kanaliga MOSFET koosneb N-tüüpi substraadil hajutatud P-tüüpi allikast ja äravoolust. Enamik kandjatest on augud. Kui väravale rakendatakse kõrgepinge, siis PMOS ei juhi. Kui väravale rakendatakse madalpinge, juhib PMOS. PMOS-seadmed on müra suhtes immuunsemad kui NMOS-seadmed.

PMOS-transistor

CMOSi tööpõhimõte

CMOS-tehnoloogias kasutatakse loogikafunktsioonide kujundamiseks nii N- kui ka P-tüüpi transistore. Sama tüüpi transistori sisselülitamiseks sama signaali kasutatakse teist tüüpi transistori väljalülitamiseks. See omadus võimaldab loogikaseadmete projekteerimisel kasutada ainult lihtsaid lüliteid, ilma et oleks vaja tõmmetakisti.

CMOS-is loogika väravad väljundi ja madalpinge toiteallika (Vss või üsna tihti maandatud) vahele on rippuvasse võrku paigutatud n-tüüpi MOSFETide kogu. NMOS-loogikaväravate koormustakisti asemel on CMOS-i loogikaväravatel p-tüüpi MOSFET-ide kogum väljundi ja kõrgepinge rööpa (sageli Vdd) vahelises tõmbevõrgus.

CMOS, kasutades Pull Up & Pull Down

Seega, kui nii p-tüüpi kui ka n-tüüpi transistori väravad on ühendatud samasse sisendisse, on p-tüüpi MOSFET SISSE lülitatud, kui n-tüüpi MOSFET on VÄLJAS ja vastupidi. Võrgud on paigutatud nii, et üks on mis tahes sisendmustri jaoks SEES ja teine ​​VÄLJAS, nagu on näidatud alloleval joonisel.

CMOS pakub mõlemas olekus suhteliselt suurt kiirust, väikese võimsuse hajumist, kõrgeid müratasemeid ja töötab laias valikus allika- ja sisendpinge (tingimusel, et allika pinge on fikseeritud). Lisaks peame täiendava metalloksiidi pooljuhtide tööpõhimõtte paremaks mõistmiseks arutama lühidalt CMOS-i loogikaväravaid, nagu allpool selgitatud.

Millised seadmed kasutavad CMOS-i?

CMOS-tüüpi tehnoloogiat kasutatakse erinevates kiipides nagu mikrokontrollerid, mikroprotsessorid, SRAM (staatiline RAM) ja muud digitaalsed loogikalülitused. Seda tehnoloogiat kasutatakse paljudes analoogahelates, mis hõlmavad andmemuundureid, pildisensoreid ja kõrgelt ühendatud transiivereid mitut tüüpi sidepidamiseks.

CMOS-inverter

Inverteri vooluring, nagu on näidatud alloleval joonisel. See koosneb PMOS ja NMOS FET . Sisend A on mõlema transistori väravapingeks.

NMOS-transistoril on sisend Vss-st (maandus) ja PMOS-transistoril on sisend Vdd-st. Klemm Y on väljund. Kui muunduri sisendklemmile (A) antakse kõrge pinge (~ Vdd), muutub PMOS avatud vooluringiks ja NMOS lülitatakse välja, nii et väljund tõmmatakse Vss-le.

CMOS-inverter

Kui madala pinge (

CMOS NAND värav

Alloleval joonisel on kujutatud 2-sisendiline täiendav MOS NAND-värav. See koosneb kahest seeria NMOS-transistorist Y ja Ground vahel ning kahest paralleelsest PMOS-transistorist Y ja VDD vahel.

Kui sisend A või B on loogika 0, on vähemalt üks NMOS-transistoridest väljas, katkestades tee Y-st maapinnani. Kuid vähemalt üks pMOS-transistoridest on sees, luues tee Y-st VDD-ni.

Kaks sisendit NAND-värav

Seega on väljund Y suur. Kui mõlemad sisendid on kõrged, on mõlemad nMOS-transistorid SEES ja mõlemad pMOS-transistorid on VÄLJAS. Seega on väljund loogiliselt madal. Allolevas tabelis toodud NANDi loogikavärava tõetabel.

CMOS NOR värav

2-sisendiline NOR-värav on näidatud alloleval joonisel. NMOS-transistorid on paralleelsed, et tõmmata väljund madalaks, kui kumbki sisend on kõrge. PMOS-transistorid on järjestikku, et tõmmata väljund kõrgele, kui mõlemad sisendid on madalad, nagu on toodud allpool tabelis. Väljundit ei jäeta kunagi hõljuma.

Kaks sisendiga NOR-väravat

NOR-i loogikavärava tõetabel, mis on toodud allolevas tabelis.

CMOS-i valmistamine

CMOS-transistoride valmistamine võib toimuda räni vahvlil. Vahvli läbimõõt on vahemikus 20 mm kuni 300 mm. Selles on litograafia protsess sama mis trükipressil. Igal sammul saab ladestada erinevaid materjale, mis on söövitatud muul viisil. Seda protsessi on väga lihtne mõista, vaadates nii vahvli ülaosa kui ka ristlõiget lihtsustatud kokkupaneku meetodil. CMOS-i saab valmistada kolme tehnoloogia abil, nimelt N-süvendiga P-süvend, kaks auku, SOI (Silicon on Insulator). Lisateabe saamiseks vaadake seda linki CMOS-i valmistamine .

CMOS-aku eluiga

CMOS-aku tüüpiline eluiga on umbes 10 aastat. Kuid see võib muutuda olenevalt kasutusest ja keskkonnast, kus iganes arvuti elab.

CMOS-i aku rikke sümptomid

Kui CMOS-i aku ebaõnnestub, ei saa arvuti pärast selle väljalülitamist arvutis täpset kellaaega ja kuupäeva säilitada. Näiteks kui arvuti on sisse lülitatud, võite näha kellaaega ja kuupäeva nagu 12:00 PM ja 1. jaanuar 1990. See viga täpsustab, et CMOS-i aku on rike.

• Sülearvuti käivitamine on keeruline
• Piiksu saab pidevalt genereerida arvuti emaplaadilt
• Kellaaeg ja kuupäev on lähtestatud
• Arvutite välisseadmed ei reageeri õigesti
• Riistvara draiverid on kadunud
• Internetti ei saa ühendada.

CMOS-i omadused

CMOS-i kõige olulisemad omadused on madal staatilise võimsuse kasutamine, tohutu mürakindlus. Kui üks transistor MOSFET-transistori paarist on välja lülitatud, kasutab seeriakombinatsioon märkimisväärset võimsust kogu lülitamise vahel nagu ON ja OFF.

Selle tulemusena ei tekita need seadmed heitsoojust võrreldes muud tüüpi loogikalülitustega, näiteks TTL või NMOS loogika, mis tavaliselt kasutavad mõnda seisvat voolu, isegi kui nad ei muuda oma olekut.

Need CMOS-i omadused võimaldavad integreerida suure tihedusega loogikafunktsioone integraallülitusse. Seetõttu on CMOS muutunud kõige sagedamini kasutatavaks tehnoloogiaks, mida VLSI kiipides käivitada.

Fraas MOS on viide MOSFETi füüsilisele struktuurile, mis sisaldab metallväravaga elektroodi, mis asub pooljuhtmaterjalist oksiidisolaatori ülaosas.

Sellist materjali nagu alumiinium kasutatakse ainult üks kord, kuid materjal on nüüd polüoksiid. Teiste metallväravate kavandamist saab teha tagasituleku kaudu, kui CMOS-protsessi protsessi saabuvad kõrge κ-dielektrilised materjalid.

CCD Vs CMOS

Pildiandurid, nagu laenguga ühendatud seade (CCD) ja täiendav metallioksiid-pooljuht (CMOS), on kahte tüüpi tehnoloogiat. Neid kasutatakse pildi digitaalseks jäädvustamiseks. Igal pildisensoril on oma eelised, puudused ja rakendused.

Peamine erinevus CCD ja CMOS vahel on kaadri jäädvustamise viis. Laenguga ühendatud seade nagu CCD kasutab globaalset katikut, CMOS aga veerevat katikut. Need kaks pildisensorit muudavad laengu valguselt elektriliseks ja töötlevad selle elektroonilisteks signaalideks.

CCD-des kasutatav tootmisprotsess on eriline, moodustades võime laengut ilma IC muutmata liikuda. Niisiis, see tootmisprotsess võib viia ülimalt kvaliteetsete anduriteni valgustundlikkuse ja -truuduse kohta.

Seevastu CMOS-kiibid kasutavad kiibi kujundamiseks fikseeritud tootmisprotseduure ja sarnast protsessi saab kasutada ka mikroprotsessorite valmistamisel. Tootmiserinevuste tõttu on andurite, näiteks CCD 7 CMOS, vahel selge erisus.

CCD andurid hõivavad pilte vähem müra ja tohutu kvaliteediga, samas kui CMOS-andurid on tavaliselt müra suhtes suuremad.

Tavaliselt kasutab CMOS vähem energiat, CCD aga kasutab CMOS-anduri jaoks palju energiat, näiteks üle 100 korra.

CMOS-kiipe saab valmistada mis tahes tüüpilisel Si-tootmisliinil, kuna need kipuvad CCD-dega võrreldes olema väga odavad. CCD andurid on küpsemad, kuna neid toodetakse pikka aega masstoodanguna.

Mõlemad CMOS- ja CCD-kujutised sõltuvad valgusest elektrisignaali tekitamiseks fotoelektriku mõjust

Ülaltoodud erinevuste põhjal kasutatakse kaamerates CCD-sid kvaliteetsete piltide sihtimiseks paljude pikslite ja silmapaistva valgustundlikkuse abil. Tavaliselt on CMOS-sensoritel vähem eraldusvõimet, kvaliteeti ja tundlikkust.
Mõnes rakenduses on CMOS-andurid viimasel ajal täiustumas, kus nad saavutavad peaaegu võrdsuse CCD-seadmetega. Üldiselt ei ole CMOS-kaamerad kallid ja neil on kõrge aku eluiga.

Seos CMOS-is

Riivi võib määratleda kui lühis tekib kahe klemmi vahel, nagu toide ja maa, nii et tekiks suur vool ja IC saaks kahjustatud. CMOS-is on fikseerimine madala impedantsiga raja esinemine jõu- ja maarööbaste vahel kahe transistori, näiteks parasiitide PNP ja NPN, vahelise side tõttu transistorid .

CMOS-ahelas on kaks transistorit, näiteks PNP ja NPN, ühendatud kahe toiterööbaga, nagu VDD ja GND. Nende transistoride kaitset saab teha läbi takistite.

Rihmülekande korral voolab vool VDD-st GND-ni otse läbi kahe transistori, nii et võib tekkida lühis, seega voolab äärmuslik vool VDD-lt maandusklemmile.

Hõlmumise ennetamiseks on erinevaid meetodeid

Haardumise ennetamisel võib rajale panna kõrge takistuse, et peatada voolu vool kogu voolu vältel ja muuta β1 * β2 alla 1, kasutades järgmisi meetodeid.

Parasiitilise SCR struktuur noppitakse transistorite ümbruses, näiteks PMOS ja NMOS, läbi isoleeriva oksiidikihi. Rihmakaitse tehnoloogia lülitab seadme välja, kui riivimist on märgatud.

Riivi testimisteenuseid saavad teha paljud turul olevad müüjad. Selle testi saab teha SCR-i struktuuri aktiveerimise katsete järjestusega CMOS IC-s, samal ajal kui vastavaid kontakte kontrollitakse, kui ülevool seda voolab.

Esimesed proovid on soovitatav hankida katsepartiist ja saata need Latch-upi katselaborisse. See labor rakendab maksimaalselt võimalikku toiteallikat ja varustab seejärel voolu toite kiibi sisenditesse ja väljunditesse alati, kui voolutoiteallika jälgimisel tekib lukustus.

Eelised

CMOS-i eelised hõlmavad järgmist.

CMOS-i peamised eelised võrreldes TTL-iga on hea müratase ja väiksem energiatarve. Selle põhjuseks on VDD-st GND-ni sirge juhtimisvööndi puudumine, sisenditingimustel põhinevad langusajad, siis muutub digitaalse signaali edastamine CMOS-kiipide kaudu lihtsaks ja madalaks.

CMOS-i kasutatakse arvuti emaplaadi mälumahu selgitamiseks, mis salvestatakse BIOS-i seadistustesse. Need seaded hõlmavad peamiselt kuupäeva, kellaaega ja riistvara seadeid
TTL on digitaalne loogikalülitus, kus bipolaarsed transistorid töötavad alalisvoolu impulssidel. Mitmed transistori loogikaväravad koosnevad tavaliselt ühest IC-st.

Väljundid, kui CMOS töötab aktiivselt mõlemal viisil

• See kasutab ühte toiteallikat nagu + VDD
• Need väravad on väga lihtsad
• Sisendtakistus on kõrge
• CMOS-i loogika kasutab vähem energiat, kui seda hoitakse määratud olekus
• Võimsuse hajumine on tühine
• Ventilaator väljas on kõrge
• TTL ühilduvus
• Temperatuuri stabiilsus
• Müra puutumatus on hea
• Kompaktne
• Kujundus on väga hea
• Mehaaniliselt vastupidav
• Loogika kiik on suur (VDD)

Puudused

CMOS-i puudused hõlmavad järgmist.

• Maksumust suurendatakse pärast töötlemisetappide suurenemist, kuid selle saab lahendada.
• CMOS-i pakkimistihedus on madal, võrreldes NMOS-iga.
• MOS-kiibid peaksid olema kindlustatud staatiliste laengute saamise eest, asetades juhtmed lühisesse, vastasel juhul võivad juhtmete sees saadud staatilised laengud kiipi kahjustada. Selle probleemi saab lahendada kaitselülituste, muidu seadmete lisamisega.
• CMOS-inverteri teine ​​puudus on see, et inverteri ehitamiseks kasutatakse kahte transistorit erinevalt ühest NMOS-st, mis tähendab, et CMOS kasutab kiibi kohal rohkem ruumi kui NMOS. Need puudused on CMOS-tehnoloogia edusammude tõttu väikesed.

CMOS-i rakendused

Täiendavaid MOS-protsesse rakendati laialdaselt ja need asendasid NMOS-i ja bipolaarseid protsesse põhimõtteliselt peaaegu kõigi digitaalse loogika rakenduste jaoks. CMOS-tehnoloogiat on kasutatud järgmiste digitaalsete IC-kujunduste jaoks.

• Arvutimälud, protsessorid
• Mikroprotsessorite kujundused
• Välkmälukiipide kujundamine
• Kasutatakse rakenduspõhiste integraallülituste (ASIC) kujundamiseks

Seega CMOS-transistor on väga kuulus kuna nad kasutavad elektrienergiat tõhusalt. Nad ei kasuta elektrivarustust alati, kui nad muutuvad ühest seisundist teise. Samuti töötavad tasuta pooljuhid vastastikku o / p pinge peatamiseks. Tulemuseks on väikese energiatarbega konstruktsioon, mis annab vähem soojust, seetõttu on need transistorid muutnud teisi varasemaid konstruktsioone, näiteks kaameraandurite CCD-sid ja enamikus praegustes protsessorites. CMOS-i mälu arvutis on mingi püsimälu, mis salvestab BIOS-i seaded ning aja ja kuupäeva teabe.

Usun, et olete sellest kontseptsioonist paremini aru saanud. Lisaks sellele võivad kõik selle kontseptsiooniga seotud küsimused või elektroonika projektid , andke palun oma väärtuslikke ettepanekuid kommenteerides allolevas kommentaaride jaotises. Siin on teile küsimus, miks on CMOS eelistatavam NMOS-ile?