Che cos'è un CMOS: principio di funzionamento e sue applicazioni

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Il termine CMOS sta per “Complementary Metal Oxide Semiconductor”. Questa è una delle tecnologie più popolari nel settore della progettazione di chip per computer ed è ampiamente utilizzata oggi per formare circuiti integrati in numerose e svariate applicazioni. Le memorie dei computer, le CPU e i telefoni cellulari di oggi fanno uso di questa tecnologia a causa di numerosi vantaggi chiave. Questa tecnologia fa uso di dispositivi semiconduttori sia a canale P che a canale N. Una delle tecnologie MOSFET più popolari oggi disponibili è la tecnologia MOS o CMOS complementare. Questa è la tecnologia dei semiconduttori dominante per microprocessori, chip di microcontrollori, memorie come RAM, ROM, EEPROM e circuiti integrati per applicazioni specifiche (ASIC).

Introduzione alla tecnologia MOS

Nella progettazione IC, il componente di base ed essenziale è il transistor. Quindi MOSFET è un tipo di transistor utilizzato in molte applicazioni. La formazione di questo transistor può essere eseguita come un sandwich includendo uno strato semiconduttore, generalmente un wafer, una fetta di un singolo cristallo di silicio, uno strato di biossido di silicio e uno strato metallico. Questi strati consentono di formare i transistor all'interno del materiale semiconduttore. Un buon isolante come Sio2 ha uno strato sottile con un centinaio di molecole di spessore.




I transistor che utilizziamo in silicio policristallino (poli) invece del metallo per le loro sezioni di gate. Il gate in Polysilicon di FET può essere sostituito quasi utilizzando gate in metallo in circuiti integrati su larga scala. A volte, sia i FET in polisilicio che quelli in metallo sono indicati come IGFET che significa FET a gate isolato, perché il Sio2 sotto il gate è un isolante.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Il principale vantaggio di CMOS su NMOS e la tecnologia BIPOLARE è la dissipazione di potenza molto più piccola. A differenza dei circuiti NMOS o BIPOLARI, un circuito MOS complementare non ha quasi nessuna dissipazione di potenza statica. La potenza viene dissipata solo nel caso in cui il circuito commuti effettivamente. Ciò consente di integrare più porte CMOS su un IC rispetto a NMOS o tecnologia bipolare , con conseguente prestazioni molto migliori. Il transistor semiconduttore a ossido di metallo complementare è costituito da MOS a canale P (PMOS) e MOS a canale N (NMOS). Fare riferimento al collegamento per saperne di più il processo di fabbricazione del transistor CMOS .



CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

NMOS

NMOS è costruito su un substrato di tipo p con sorgente di tipo n e drenaggio diffuso su di esso. In NMOS, la maggior parte dei portatori sono elettroni. Quando viene applicata un'alta tensione al gate, il NMOS condurrà. Allo stesso modo, quando viene applicata una bassa tensione al gate, NMOS non condurrà. NMOS è considerato più veloce del PMOS, poiché i portatori in NMOS, che sono elettroni, viaggiano due volte più velocemente dei buchi.

Transistor NMOS

Transistor NMOS

PMOS

Il MOSFET a canale P è costituito da Source e Drain di tipo P diffusi su un substrato di tipo N. La maggior parte dei vettori sono buchi. Quando viene applicata un'alta tensione al gate, il PMOS non condurrà. Quando viene applicata una bassa tensione al gate, il PMOS condurrà. I dispositivi PMOS sono più immuni al rumore rispetto ai dispositivi NMOS.


Transistor PMOS

Transistor PMOS

Principio di funzionamento CMOS

Nella tecnologia CMOS, entrambi i transistor di tipo N e P vengono utilizzati per progettare funzioni logiche. Lo stesso segnale che accende un transistor di un tipo viene utilizzato per spegnere un transistor dell'altro tipo. Questa caratteristica consente la progettazione di dispositivi logici utilizzando solo interruttori semplici, senza la necessità di una resistenza di pull-up.

In CMOS porte logiche una raccolta di MOSFET di tipo n è disposta in una rete pull-down tra l'uscita e il rail di alimentazione a bassa tensione (Vss o abbastanza spesso massa). Invece del resistore di carico delle porte logiche NMOS, le porte logiche CMOS hanno una raccolta di MOSFET di tipo p in una rete pull-up tra l'uscita e il rail ad alta tensione (spesso chiamato Vdd).

CMOS utilizzando Pull Up & Pull Down

CMOS utilizzando Pull Up & Pull Down

Pertanto, se sia un transistor di tipo p che un transistor di tipo n hanno le loro porte collegate allo stesso ingresso, il MOSFET di tipo p sarà ON quando il MOSFET di tipo n è OFF e viceversa. Le reti sono disposte in modo tale che una sia ON e l'altra OFF per qualsiasi modello di ingresso, come mostrato nella figura seguente.

CMOS offre velocità relativamente elevata, bassa dissipazione di potenza, margini di rumore elevati in entrambi gli stati e funzionerà su un'ampia gamma di tensioni di ingresso e sorgente (a condizione che la tensione di sorgente sia fissa). Inoltre, per una migliore comprensione del principio di funzionamento del semiconduttore di ossido di metallo complementare, abbiamo bisogno di discutere brevemente le porte logiche CMOS come spiegato di seguito.

Quali dispositivi utilizzano CMOS?

La tecnologia come CMOS viene utilizzata in diversi chip come microcontrollori, microprocessori, SRAM (RAM statica) e altri circuiti logici digitali. Questa tecnologia viene utilizzata in un'ampia gamma di circuiti analogici che include convertitori di dati, sensori di immagine e ricetrasmettitori altamente incorporati per diversi tipi di comunicazione.

Inverter CMOS

Il circuito dell'inverter come mostrato nella figura sotto. Consiste in PMOS e NMOS FET . L'ingresso A funge da tensione di gate per entrambi i transistor.

Il transistor NMOS ha input da Vss (massa) e il transistor PMOS ha input da Vdd. Viene emesso il terminale Y. Quando viene fornita un'alta tensione (~ Vdd) al terminale di ingresso (A) dell'inverter, il PMOS diventa un circuito aperto e NMOS si spegne in modo che l'uscita venga ridotta a Vss.

Inverter CMOS

Inverter CMOS

Quando una tensione di basso livello (

INGRESSO INGRESSO LOGICO PRODUZIONE USCITA LOGICA
0 v0Vdd1
Vdd10 v0

Gate NAND CMOS

La figura seguente mostra una porta NAND MOS complementare a 2 ingressi. Consiste di due transistor NMOS serie tra Y e Ground e due transistor PMOS paralleli tra Y e VDD.

Se l'ingresso A o B è 0 logico, almeno uno dei transistor NMOS sarà OFF, interrompendo il percorso da Y a Ground. Ma almeno uno dei transistor pMOS sarà ON, creando un percorso da Y a VDD.

Porta NAND a due ingressi

Porta NAND a due ingressi

Quindi, l'uscita Y sarà alta. Se entrambi gli ingressi sono alti, entrambi i transistor nMOS saranno ON ed entrambi i transistor pMOS saranno OFF. Quindi, l'uscita sarà logica bassa. La tabella di verità della porta logica NAND fornita nella tabella seguente.

PER B Rete pull-down Rete pull-up USCITA Y
00OFFSU1
01OFFSU1
10OFFSU1
11SUOFF0

CMOS NOR Gate

Nella figura seguente è mostrata una porta NOR a 2 ingressi. I transistor NMOS sono in parallelo per abbassare l'uscita quando uno degli ingressi è alto. I transistor PMOS sono in serie per portare l'uscita in alto quando entrambi gli ingressi sono bassi, come indicato nella tabella sottostante. L'output non viene mai lasciato fluttuante.

Due ingressi NOR Gate

Due ingressi NOR Gate

La tabella di verità della porta logica NOR fornita nella tabella seguente.

PER B Y
001
010
100
110

Fabbricazione CMOS

La fabbricazione di transistor CMOS può essere eseguita sul wafer di silicio. Il diametro del wafer varia da 20 mm a 300 mm. In questo, il processo di litografia è lo stesso della macchina da stampa. Ad ogni passaggio, materiali diversi possono essere depositati, incisi altrimenti modellati. Questo processo è molto semplice da capire visualizzando la parte superiore del wafer e la sezione trasversale all'interno di un metodo di assemblaggio semplificato. La fabbricazione di CMOS può essere realizzata utilizzando tre tecnologie: N-well pt P-well, Twin well, e SOI (Silicon on Insulator). Fare riferimento a questo collegamento per saperne di più Fabbricazione CMOS .

Una vita di batteria CMOS

La durata tipica di una batteria CMOS è di circa 10 anni. Tuttavia, questo può cambiare in base all'utilizzo e all'ambiente circostante, ovunque risieda il PC.

Sintomi di guasto della batteria CMOS

Quando la batteria CMOS si guasta, il computer non può mantenere l'ora e la data esatte sul computer una volta spento. Ad esempio, una volta che il computer è acceso, è possibile visualizzare l'ora e la data come 12:00 PM e 1 gennaio 1990. Questo errore specifica che la batteria del CMOS è guasta.

  • L'avvio del laptop è difficile
  • Il segnale acustico può essere generato continuamente dalla scheda madre del computer
  • L'ora e la data sono state ripristinate
  • Le periferiche dei computer non rispondono correttamente
  • I driver dell'hardware sono scomparsi
  • Impossibile connettersi a Internet.

Caratteristiche CMOS

Le caratteristiche più importanti del CMOS sono il basso utilizzo della potenza statica e l'enorme immunità ai disturbi. Quando il singolo transistor della coppia di transistor MOSFET viene spento, la combinazione in serie utilizza una potenza significativa durante la commutazione tra i due indicati come ON e OFF.

Di conseguenza, questi dispositivi non generano calore di scarto rispetto ad altri tipi di circuiti logici come la logica TTL o NMOS, che di solito utilizzano una corrente stazionaria anche se non cambiano il loro stato.

Queste caratteristiche CMOS consentiranno di integrare funzioni logiche ad alta densità su un circuito integrato. Per questo motivo, CMOS è diventata la tecnologia più utilizzata da eseguire all'interno dei chip VLSI.

La frase MOS è un riferimento alla struttura fisica del MOSFET che include un elettrodo con un gate metallico che si trova sulla sommità di un isolante di ossido di materiale semiconduttore.

Un materiale come l'alluminio viene utilizzato solo una volta, tuttavia il materiale è ora polisilicio. La progettazione di altre porte metalliche può essere eseguita utilizzando un ritorno attraverso l'arrivo di materiali dielettrici ad alto κ all'interno del processo del processo CMOS.

CCD Vs CMOS

I sensori di immagine come il dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) e il semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS) sono due diversi tipi di tecnologie. Questi sono usati per catturare l'immagine digitalmente. Ogni sensore di immagine ha i suoi vantaggi, svantaggi e applicazioni.

La principale differenza tra CCD e CMOS è il modo di catturare il fotogramma. Un dispositivo ad accoppiamento di carica come il CCD utilizza un otturatore globale mentre il CMOS utilizza un otturatore scorrevole. Questi due sensori di immagine cambiano la carica da leggera a elettrica e la elaborano in segnali elettronici.

Il processo di produzione utilizzato nei CCD è speciale per formare la capacità di spostare la carica attraverso l'IC senza alterazioni. Quindi, questo processo di produzione può portare a sensori di altissima qualità sulla sensibilità e fedeltà alla luce.

Al contrario, i chip CMOS utilizzano procedure di produzione fisse per progettare il chip e un processo simile può essere utilizzato anche per realizzare i microprocessori. A causa delle differenze nella produzione, ci sono alcune chiare differenze tra i sensori come CCD 7 CMOS.

I sensori CCD cattureranno le immagini con meno rumore e una qualità eccezionale, mentre i sensori CMOS sono solitamente più soggetti al rumore.

Di solito, CMOS utilizza meno energia mentre il CCD utilizza molta potenza come più di 100 volte al sensore CMOS.

La fabbricazione di chip CMOS può essere eseguita su qualsiasi tipica linea di produzione di Si perché tendono ad essere molto economici rispetto ai CCD. I sensori CCD sono più maturi perché vengono prodotti in serie per un lungo periodo.

Entrambi i sensori CMOS e CCD dipendono dall'effetto del fotoelettrico per produrre il segnale elettrico dalla luce

Sulla base delle differenze di cui sopra, i CCD vengono utilizzati nelle fotocamere per targetizzare immagini di alta qualità attraverso molti pixel e un'eccezionale sensibilità alla luce. Di solito, i sensori CMOS hanno meno risoluzione, qualità e sensibilità.
In alcune applicazioni, i sensori CMOS stanno recentemente migliorando al punto in cui raggiungono quasi l'uguaglianza con i dispositivi CCD. In generale, le fotocamere CMOS non sono costose e hanno una lunga durata della batteria.

Latch-Up in CMOS

Un latch-up può essere definito come quando si verifica il cortocircuito tra i due terminali come alimentazione e terra in modo che possa essere generata corrente elevata e IC possa essere danneggiato. In CMOS, il latch-up è il verificarsi di un percorso a bassa impedenza tra il binario di alimentazione e il binario di terra a causa della comunicazione tra i due transistor come PNP e NPN parassiti transistor .

Nel circuito CMOS, i due transistor come PNP e NPN sono collegati a due linee di alimentazione come VDD e GND. La protezione di questi transistor può essere effettuata tramite resistori.

In una trasmissione latch-up, la corrente fluirà da VDD a GND direttamente attraverso i due transistor in modo che possa verificarsi un cortocircuito, quindi la corrente estrema fluirà da VDD al terminale di terra.

Esistono diversi metodi per la prevenzione del latch-up

Nella prevenzione del latch-up, è possibile posizionare un'elevata resistenza nel percorso per interrompere il flusso di corrente attraverso l'alimentazione e per rendere β1 * β2 inferiore a 1 utilizzando i seguenti metodi.

La struttura dell'SCR parassita sarà racchiusa nelle vicinanze di transistor come PMOS e NMOS attraverso uno strato di ossido isolante. La tecnologia per la protezione del latch-up spegnerà il dispositivo una volta notato il latch-up.

I servizi di test di latch-up possono essere eseguiti da molti fornitori sul mercato. Questo test può essere eseguito tramite una sequenza di tentativi per attivare la struttura dell'SCR nel CMOS IC mentre i relativi pin vengono controllati quando la sovracorrente scorre attraverso di essa.

Si consiglia di ottenere i primi campioni dal lotto sperimentale e di inviarli a un laboratorio di analisi di Latch-up. Questo laboratorio applicherà l'alimentazione massima ottenibile e quindi fornirà l'alimentazione di corrente agli ingressi e alle uscite del chip ogni volta che si verifica un latch-up monitorando l'alimentazione di corrente.

Vantaggi

I vantaggi di CMOS includono quanto segue.

I principali vantaggi di CMOS rispetto a TTL sono un buon margine di rumore e un minor consumo energetico. Ciò è dovuto all'assenza di corsia diritta da VDD a GND, tempi di caduta basati sulle condizioni di ingresso, quindi la trasmissione del segnale digitale diventerà facile ea basso costo tramite chip CMOS.

CMOS viene utilizzato per spiegare la quantità di memoria sulla scheda madre del computer che verrà memorizzata nelle impostazioni del BIOS. Queste impostazioni includono principalmente la data, l'ora e le impostazioni dell'hardware
TTL è un circuito logico digitale in cui i transistor bipolari funzionano su impulsi CC. Diverse porte logiche a transistor sono normalmente costituite da un singolo IC.

Gli output se CMOS guidano attivamente in entrambi i modi

  • Utilizza un unico alimentatore come + VDD
  • Queste porte sono molto semplici
  • L'impedenza di ingresso è alta
  • La logica CMOS utilizza meno energia ogni volta che viene mantenuta in uno stato impostato
  • La dissipazione di potenza è trascurabile
  • Il fan out è alto
  • Compatibilità TTL
  • Stabilità della temperatura
  • L'immunità al rumore è buona
  • Compatto
  • Progettare va molto bene
  • Robusto meccanicamente
  • Lo swing logico è ampio (VDD)

Svantaggi

Gli svantaggi di CMOS includono quanto segue.

  • Il costo aumenterà una volta che le fasi di elaborazione aumentano, tuttavia, può essere risolto.
  • La densità di impacchettamento di CMOS è bassa rispetto a NMOS.
  • I chip MOS dovrebbero essere protetti dall'ottenere cariche statiche ponendo i conduttori in cortocircuito altrimenti le cariche statiche ottenute all'interno dei conduttori danneggeranno il chip. Questo problema può essere risolto includendo circuiti di protezione altrimenti dispositivi.
  • Un altro inconveniente dell'inverter CMOS è che utilizza due transistor anziché un NMOS per costruire un inverter, il che significa che il CMOS utilizza più spazio sul chip rispetto al NMOS. Questi inconvenienti sono piccoli a causa dei progressi nella tecnologia CMOS.

Applicazioni CMOS

Processi MOS complementari sono stati ampiamente implementati e hanno sostanzialmente sostituito NMOS e processi bipolari per quasi tutte le applicazioni di logica digitale. La tecnologia CMOS è stata utilizzata per i seguenti progetti di circuiti integrati digitali.

  • Memorie di computer, CPU
  • Design a microprocessore
  • Progettazione di chip di memoria flash
  • Utilizzato per progettare circuiti integrati specifici dell'applicazione (ASIC)

Quindi, il Il transistor CMOS è molto famoso perché utilizzano l'energia elettrica in modo efficiente. Non usano l'alimentazione elettrica ogni volta che cambiano da una condizione all'altra. Inoltre, i semiconduttori complementari funzionano reciprocamente per arrestare la tensione o / p. Il risultato è un design a bassa potenza che fornisce meno calore, per questo motivo, questi transistor hanno cambiato altri progetti precedenti come i CCD all'interno dei sensori della fotocamera e utilizzati nella maggior parte dei processori attuali. La memoria del CMOS all'interno di un computer è una sorta di RAM non volatile che memorizza le impostazioni del BIOS e le informazioni di ora e data.

Credo che tu abbia una migliore comprensione di questo concetto. Inoltre, qualsiasi domanda riguardante questo concetto o progetti di elettronica , per favore dai i tuoi preziosi suggerimenti commentando nella sezione commenti qui sotto. Ecco una domanda per te, perché CMOS è preferibile a NMOS?