Čo je CMOS: pracovný princíp a jeho aplikácie

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Pojem CMOS znamená „doplnkový polovodičový oxid kovu“. Toto je jedna z najpopulárnejších technológií v priemysle navrhovania počítačových čipov a dnes sa široko používa na formovanie integrované obvody v mnohých a rozmanitých aplikáciách. Dnešné počítačové pamäte, procesory a mobilné telefóny využívajú túto technológiu kvôli niekoľkým kľúčovým výhodám. Táto technológia využíva polovodičové zariadenia s kanálom P aj N. Jednou z najpopulárnejších technológií MOSFET, ktorá je dnes k dispozícii, je doplnková technológia MOS alebo CMOS. Toto je dominantná polovodičová technológia pre mikroprocesory, čipy mikrokontrolérov, pamäte ako RAM, ROM, EEPROM a aplikačne špecifické integrované obvody (ASIC).

Úvod do technológie MOS

V návrhu IC je základnou a najdôležitejšou súčasťou tranzistor. MOSFET je teda jeden druh tranzistora používaný v mnohých aplikáciách. Vytvorenie tohto tranzistora sa dá uskutočniť ako sendvič zahrnutím polovodičovej vrstvy, všeobecne oblátky, plátku z jediného kryštálu kremíka, vrstvy oxidu kremičitého a kovovej vrstvy. Tieto vrstvy umožňujú, aby sa tranzistory vytvorili v polovodičovom materiáli. Dobrý izolátor ako Sio2 má tenkú vrstvu s hrúbkou sto molekúl.




Tranzistory, ktoré používame namiesto kovov na ich časti brány z polykryštalického kremíka (poly). Polysilikónová brána FET sa dá nahradiť takmer použitím kovových brán vo veľkých integrovaných obvodoch. Niekedy sa polysilikónové aj kovové FET označujú ako IGFET, čo znamená FET s izolovanou bránou, pretože Sio2 pod bránou je izolátor.

CMOS (doplnkový polovodičový oxid kovu)

Hlavný výhoda CMOS oproti NMOS a technológia BIPOLAR je oveľa menší rozptyl energie. Na rozdiel od obvodov NMOS alebo BIPOLAR nemá doplnkový obvod MOS takmer žiadny rozptyl statického výkonu. Výkon sa rozptýli iba v prípade, že sa obvod skutočne prepne. To umožňuje integrovať viac brán CMOS na IC ako v NMOS alebo bipolárna technológia , čo má za následok oveľa lepší výkon. Doplnkový polovodičový tranzistor z oxidu kovu sa skladá z P-kanálového MOS (PMOS) a N-kanálového MOS (NMOS). Ak sa chcete dozvedieť viac, prečítajte si odkaz proces výroby CMOS tranzistora .



CMOS (doplnkový polovodičový oxid kovu)

CMOS (doplnkový polovodičový oxid kovu)

NMOS

NMOS je postavený na substráte typu p so zdrojom typu n a na ňom rozptýleným odtokom. V NMOS tvoria väčšinu nosičov elektróny. Keď je na bránu privádzané vysoké napätie, bude prebiehať NMOS. Podobne, keď je na bránu aplikované nízke napätie, NMOS nebude viesť. NMOS sa považuje za rýchlejší ako PMOS, pretože nosiče v NMOS, ktoré sú elektrónmi, cestujú dvakrát rýchlejšie ako otvory.

Tranzistor NMOS

Tranzistor NMOS

PMOS

P-kanál MOSFET pozostáva zo zdroja typu P a odtoku rozptýleného na substráte typu N. Väčšina nosičov sú diery. Keď je na bránu privádzané vysoké napätie, PMOS nebude viesť. Keď je na bránu privádzané nízke napätie, vykoná sa PMOS. Zariadenia PMOS sú odolnejšie voči šumu ako zariadenia NMOS.


PMOS tranzistor

PMOS tranzistor

Princíp práce CMOS

V technológii CMOS sa na navrhovanie logických funkcií používajú tranzistory typu N aj typu P. Ten istý signál, ktorý zapína tranzistor jedného typu, sa používa na vypnutie tranzistora druhého typu. Táto vlastnosť umožňuje navrhovanie logických zariadení pomocou iba jednoduchých prepínačov bez potreby pull-up rezistora.

V CMOS logické brány zbierka MOSFETov typu n je usporiadaná v rozbaľovacej sieti medzi výstupom a nízkonapäťovou napájacou lištou (Vss alebo pomerne často uzemnená). Namiesto záťažového odporu logických brán NMOS majú logické brány CMOS zbierku MOSFETov typu p vo vyťahovacej sieti medzi výstupom a vysokonapäťovou koľajnicou (často nazývanou Vdd).

CMOS pomocou Pull Up & Pull Down

CMOS pomocou Pull Up & Pull Down

Ak teda majú tranzistory typu p aj n svoje brány pripojené k rovnakému vstupu, MOSFET typu p bude ZAPNUTÝ, keď je MOSFET typu n VYPNUTÝ, a naopak. Siete sú usporiadané tak, že jedna je zapnutá a druhá vypnutá pre akýkoľvek vstupný vzor, ​​ako je znázornené na obrázku nižšie.

CMOS ponúka relatívne vysokú rýchlosť, nízku stratu výkonu, vysoké rozpätie šumu v oboch štátoch a bude pracovať v širokom rozsahu zdrojového a vstupného napätia (za predpokladu, že je zdrojové napätie pevné). Ďalej, aby sme lepšie pochopili princíp fungovania doplnkového polovodičového oxidu kovu, je potrebné stručne prediskutovať logické brány CMOS, ako je vysvetlené nižšie.

Ktoré zariadenia používajú CMOS?

Technológia ako CMOS sa používa v rôznych čipoch, ako sú mikroprocesory, mikroprocesory, SRAM (statická RAM) a ďalšie digitálne logické obvody. Táto technológia sa používa v širokej škále analógových obvodov, ktoré zahŕňajú dátové prevodníky, obrazové snímače a vysoko zabudované vysielače a prijímače pre niekoľko druhov komunikácie.

Invertor CMOS

Obvod invertora, ako je znázornené na obrázku nižšie. Skladá sa to z PMOS a NMOS FET . Vstup A slúži ako hradlové napätie pre oba tranzistory.

Tranzistor NMOS má vstup z Vss (zem) a tranzistor PMOS má vstup z Vdd. Svorka Y je na výstupe. Ak je na vstupnom termináli (A) meniča vysoké napätie (~ Vdd), stane sa PMOS otvoreným obvodom a NMOS sa vypne, takže výstup bude stiahnutý na Vss.

Invertor CMOS

Invertor CMOS

Keď je nízkoúrovňové napätie (

VSTUP LOGICKÝ VSTUP VÝKON LOGICKÝ VÝSTUP
0 v0Vdd1
Vdd10 v0

Brána CMOS NAND

Na nasledujúcom obrázku je znázornená doplnková brána MOS NAND s 2 vstupmi. Skladá sa z dvoch sérií NMOS tranzistorov medzi Y a zemou a dvoch paralelných PMOS tranzistorov medzi Y a VDD.

Ak je vstup A alebo B logický 0, najmenej jeden z tranzistorov NMOS bude VYPNUTÝ a preruší cestu z Y na zem. Ale najmenej jeden z pMOS tranzistorov bude ZAPNUTÝ, čím sa vytvorí cesta z Y do VDD.

Dve vstupné brány NAND

Dve vstupné brány NAND

Preto bude výstup Y vysoký. Ak sú obidva vstupy vysoké, obidva tranzistory nMOS budú ZAPNUTÉ a obidva tranzistory pMOS budú VYPNUTÉ. Preto bude výstup logicky nízky. Tabuľka pravdivosti logickej brány NAND uvedená v nasledujúcej tabuľke.

TO B Rozbaľovacia sieť Vytiahnutie siete VÝSTUP Y
00VYPNUTÉZAP1
01VYPNUTÉZAP1
10VYPNUTÉZAP1
11ZAPVYPNUTÉ0

Brána CMOS NOR

2-vstupová brána NOR je znázornená na obrázku nižšie. Tranzistory NMOS sú paralelné, aby potiahli výstup nízko, keď je jeden vstup vysoký. Tranzistory PMOS sú v sérii na vytiahnutie výstupu vysoko, ak sú obidva vstupy nízke, ako je uvedené v nasledujúcej tabuľke. Výstup nikdy nezostane plávajúci.

Dve vstupné brány NOR

Dve vstupné brány NOR

Tabuľka pravdivosti logickej brány NOR uvedená v nasledujúcej tabuľke.

TO B Y.
001
010
100
110

Výroba CMOS

Výroba CMOS tranzistorov sa môže uskutočniť na plátku kremíka. Priemer oblátky sa pohybuje od 20 mm do 300 mm. V tomto prípade je proces litografie rovnaký ako v prípade tlačiarenského lisu. Na každom kroku je možné nanášať rôzne materiály, leptať a inak vzorovať. Tento proces je veľmi jednoduchý na pochopenie prezeraním vrchnej časti oblátky a prierezu v rámci zjednodušenej metódy montáže. Výroba CMOS sa dá dosiahnuť použitím troch technológií, a to N-well pt P-well, Twin well, a SOI (Silicon on Insulator). Viac informácií nájdete na tomto odkaze Výroba CMOS .

Životnosť batérie CMOS

Typická životnosť batérie CMOS je približne 10 rokov. To sa však môže zmeniť v závislosti na využití a prostredí, nech sa počítač nachádza kdekoľvek.

Príznaky zlyhania batérie CMOS

Ak batéria CMOS zlyhá, počítač po vypnutí nedokáže na počítači udržať presný čas a dátum. Napríklad keď je počítač ZAPNUTÝ, môžete vidieť čas a dátum ako 12:00 PM a 1. januára 1990. Táto chyba určuje, že zlyhala batéria CMOS.

  • Spustenie notebooku je ťažké
  • Pípanie je možné generovať nepretržite zo základnej dosky počítača
  • Čas a dátum sa resetovali
  • Periférie počítačov nereagujú správne
  • Ovládače hardvéru zmizli
  • Internet sa nedá pripojiť.

Charakteristiky CMOS

Najdôležitejšou charakteristikou CMOS je nízke využitie statického výkonu, obrovská odolnosť proti šumu. Keď je jeden tranzistor z dvojice tranzistorov MOSFET vypnutý, potom sériová kombinácia využíva značný výkon počas prepínania medzi dvoma uvedenými ako ON & OFF.

Výsledkom je, že tieto zariadenia negenerujú odpadové teplo v porovnaní s inými typmi logických obvodov, ako sú logiky TTL alebo NMOS, ktoré zvyčajne používajú určitý stojatý prúd, aj keď nezmenia svoj stav.

Tieto charakteristiky CMOS umožnia integráciu logických funkcií s vysokou hustotou do integrovaného obvodu. Z tohto dôvodu sa CMOS stala najbežnejšie používanou technológiou, ktorá sa má vykonávať v rámci čipov VLSI.

Fráza MOS je odkaz na fyzickú štruktúru MOSFETu, ktorá obsahuje elektródu s kovovým hradlom, ktorá je umiestnená na vrchu oxidového izolátora z polovodičového materiálu.

Materiál ako hliník sa použije iba raz, avšak v súčasnosti je ním polysilikón. Projektovanie ďalších kovových brán je možné vykonať pomocou návratu prostredníctvom príchodu dielektrických materiálov s vysokým obsahom κ do procesu procesu CMOS.

CCD vs CMOS

Obrazové snímače, ako napríklad zariadenie s nábojovou väzbou (CCD) a doplnkový kov-oxid-polovodič (CMOS), sú dva rôzne druhy technológií. Používajú sa na digitálne zachytenie obrázka. Každý obrazový snímač má svoje výhody, nevýhody a aplikácie.

Hlavným rozdielom medzi CCD a CMOS je spôsob snímania snímky. Zariadenie s nabíjanou väzbou, ako napríklad CCD, používa globálnu uzávierku, zatiaľ čo CMOS používa rolovaciu uzávierku. Tieto dva obrazové snímače menia náboj zo svetla na elektrický prúd a spracúvajú ho na elektronické signály.

Výrobný proces používaný v CCD je špeciálny na vytvorenie kapacity na pohyb náboja cez integrovaný obvod bez zmeny. Takže tento výrobný proces môže viesť k mimoriadne kvalitným snímačom citlivosti a vernosti svetla.

Naproti tomu čipy CMOS používajú na výrobu čipu pevné výrobné postupy a podobný proces je možné použiť aj pri výrobe mikroprocesorov. Kvôli rozdielom vo výrobe existujú medzi snímačmi určité zreteľné rozdiely medzi nimi, napríklad CCD 7 CMOS.

CCD snímače snímajú obrázky s menším šumom a vysokou kvalitou, zatiaľ čo snímače CMOS sú zvyčajne náchylnejšie na šum.

CMOS zvyčajne spotrebuje menej energie, zatiaľ čo CCD spotrebuje veľa energie, ako viac ako stokrát, snímač CMOS.

Výroba čipov CMOS sa môže uskutočniť na akejkoľvek typickej výrobnej linke na Si, pretože sú v porovnaní s CCD veľmi lacné. CCD snímače sú vyspelejšie, pretože sa hromadne vyrábajú dlho.

Snímače CMOS aj CCD závisia od účinku fotoelektrického prvku na vytváranie elektrického signálu zo svetla

Na základe vyššie uvedených rozdielov sa CCD kamery používajú na zameranie vysokokvalitných snímok pomocou mnohých pixelov a vynikajúcej svetelnej citlivosti. CMOS snímače majú zvyčajne menšie rozlíšenie, kvalitu a citlivosť.
V niektorých aplikáciách sa senzory CMOS v poslednej dobe zlepšujú natoľko, že dosiahnu takmer rovnakú úroveň ako CCD zariadenia. Fotoaparáty CMOS vo všeobecnosti nie sú drahé a majú vysokú životnosť batérie.

Vyrovnanie v CMOS

Blokovanie možno definovať tak, že keď dôjde ku skratu medzi dvoma svorkami, ako je napájanie a zem, aby bolo možné generovať vysoký prúd a poškodiť IC. V CMOS je latch-up výskyt nízkoimpedančnej stopy medzi napájacou a zemnou koľajnicou kvôli komunikácii medzi týmito dvoma tranzistormi, ako sú parazitné PNP a NPN. tranzistory .

V obvode CMOS sú dva tranzistory ako PNP a NPN pripojené k dvom napájacím lištám ako VDD a GND. Ochrana týchto tranzistorov sa môže uskutočňovať prostredníctvom rezistorov.

Pri blokovanom prenose bude prúd tiecť z VDD na GND priamo cez dva tranzistory, takže môže dôjsť ku skratu, takže z VDD bude prúdiť extrémny prúd k uzemňovacej svorke.

Existujú rôzne metódy prevencie blokovania

V prevencii blokovania je možné do cesty vložiť vysoký odpor, aby sa zastavil tok prúdu v celom napájaní a aby sa hodnota β1 * β2 pod 1 pomocou nasledujúcich metód.

Štruktúra parazitického SCR bude obklopená tranzistormi, ako sú PMOS a NMOS, cez izolačnú vrstvu oxidu. Technológia ochrany proti zablokovaniu vypne zariadenie, keď si všimnete zablokovanie.

Testovacie služby blokovania môžu vykonávať mnohí predajcovia na trhu. Tento test je možné vykonať postupnosťou pokusov o aktiváciu štruktúry SCR v CMOS IC, zatiaľ čo súvisiace kolíky sa kontrolujú, keď ním preteká nadprúd.

Odporúča sa získať prvé vzorky z experimentálnej dávky a poslať ich do testovacej laboratória Latch-up. Toto laboratórium použije maximálne dosiahnuteľné napájanie a potom poskytne prúdové napájanie na vstupy a výstupy čipu, kedykoľvek dôjde k oneskoreniu sledovaním napájania.

Výhody

Medzi výhody CMOS patria nasledujúce.

Hlavnými výhodami CMOS oproti TTL sú dobrá hranica šumu a nižšia spotreba energie. To je spôsobené tým, že neexistuje žiadny priamy vodiaci pruh z VDD na GND, doba poklesu závisí od podmienok vstupu, potom bude prenos digitálneho signálu ľahký a lacný prostredníctvom čipov CMOS.

CMOS sa používa na vysvetlenie množstva pamäte na základnej doske počítača, ktorá sa uloží v nastaveniach systému BIOS. Tieto nastavenia zahŕňajú hlavne dátum, čas a nastavenia hardvéru
TTL je digitálny logický obvod, kde bipolárne tranzistory pracujú na jednosmerných impulzoch. Niekoľko tranzistorových logických brán je obvykle zložených z jedného integrovaného obvodu.

Výstupy, ak CMOS jazdia aktívne oboma spôsobmi

  • Používa jediný napájací zdroj ako + VDD
  • Tieto brány sú veľmi jednoduché
  • Vstupná impedancia je vysoká
  • Logika CMOS spotrebuje menej energie, kedykoľvek je udržiavaná v nastavenom stave
  • Strata výkonu je zanedbateľná
  • Ventilátor je vysoký
  • TTL kompatibilita
  • Stabilita teploty
  • Hluková imunita je dobrá
  • Kompaktný
  • Navrhovanie je veľmi dobré
  • Robustný mechanicky
  • Logická hojdačka je veľká (VDD)

Nevýhody

Medzi nevýhody systému CMOS patria nasledujúce.

  • Cena sa zvýši, akonáhle sa zvýšia kroky spracovania, dá sa to však vyriešiť.
  • Hustota balenia CMOS je v porovnaní s NMOS nízka.
  • MOS čipy by mali byť chránené pred statickým nábojom umiestnením skratovaných elektród, inak statické náboje získané v elektródach poškodia čip. Tento problém je možné vyriešiť zahrnutím ochranných obvodov alebo iných zariadení.
  • Ďalšou nevýhodou invertora CMOS je to, že na vytvorenie invertora využíva dva tranzistory, na rozdiel od jedného NMOS, čo znamená, že CMOS v porovnaní s NMOS využíva viac miesta na čipe. Tieto nevýhody sú malé z dôvodu pokroku v rámci technológie CMOS.

Aplikácie CMOS

Doplnkové procesy MOS boli široko implementované a zásadne nahradili NMOS a bipolárne procesy takmer pre všetky aplikácie digitálnej logiky. Technológia CMOS sa použila pre nasledujúce návrhy digitálnych integrovaných obvodov.

  • Počítačové pamäte, CPU
  • Mikroprocesorové vzory
  • Návrh pamäťového čipu Flash
  • Používa sa na návrh integrovaných obvodov špecifických pre aplikáciu (ASIC)

Teda CMOS tranzistor je veľmi známy pretože efektívne využívajú elektrickú energiu. Nepoužívajú elektrický zdroj, kedykoľvek prechádzajú z jedného stavu do druhého. Doplnkové polovodiče tiež vzájomne spolupracujú na zastavení o / p napätia. Výsledkom je nízkoenergetický dizajn, ktorý poskytuje menej tepla. Z tohto dôvodu tieto tranzistory zmenili iné skoršie dizajny, ako napríklad CCD v kamerových snímačoch, a ktoré sa používajú vo väčšine súčasných procesorov. Pamäť CMOS v počítači je druhom energeticky nezávislej pamäte RAM, ktorá uchováva nastavenia systému BIOS a informácie o čase a dátume.

Verím, že ste tomuto konceptu lepšie porozumeli. Ďalej akékoľvek otázky týkajúce sa tohto konceptu resp projekty elektroniky , prosím, poskytnite svoje cenné návrhy komentárom v sekcii komentárov nižšie. Tu je otázka, prečo je CMOS výhodnejší ako NMOS?