Какво е CMOS: Принцип на работа и неговите приложения

Какво е CMOS: Принцип на работа и неговите приложения

Терминът CMOS означава „Допълнителен метален оксиден полупроводник“. Това е една от най-популярните технологии в индустрията за проектиране на компютърни чипове и днес тя се използва широко за формиране интегрални схеми в многобройни и разнообразни приложения. Днешните компютърни спомени, процесори и мобилни телефони използват тази технология поради няколко ключови предимства. Тази технология използва както P, така и N канални полупроводникови устройства. Една от най-популярните MOSFET технологии, налични днес, е допълнителната MOS или CMOS технология. Това е доминиращата полупроводникова технология за микропроцесори, микроконтролерни чипове, памет като RAM, ROM, EEPROM и специфични за приложение интегрални схеми (ASIC).



Въведение в MOS технологията

В дизайна на IC основният и най-съществен компонент е транзисторът. Така че MOSFET е един вид транзистор, използван в много приложения. Формирането на този транзистор може да се направи като сандвич, като се включи полупроводников слой, обикновено вафла, парче от монокристал силиций, слой силициев диоксид и метален слой. Тези слоеве позволяват на транзисторите да се формират в полупроводниковия материал. Един добър изолатор като Sio2 има тънък слой със сто молекули дебелина.


Транзисторите, които използваме поликристален силиций (поли) вместо метал за техните портални секции. Полисиликоновата порта на FET може да бъде заменена почти с помощта на метални врати в големи мащабни интегрални схеми. Понякога както полисилициевите, така и металните полеви транзистори се означават като IGFET, което означава изолирани полеви транзистори, тъй като Sio2 под портата е изолатор.





CMOS (допълнителен метален оксиден полупроводник)

Основното предимство на CMOS пред NMOS а технологията BIPOLAR е много по-малкото разсейване на мощността. За разлика от веригите NMOS или BIPOLAR, допълнителната MOS схема почти няма статично разсейване на мощността. Мощността се разсейва само в случай, че веригата действително се превключи. Това позволява да се интегрират повече CMOS порти на IC, отколкото в NMOS или биполярна технология , което води до много по-добро представяне. Допълнителният полупроводников транзистор от метален оксид се състои от P-канален MOS (PMOS) и N-канален MOS (NMOS). Моля, вижте връзката, за да научите повече за процесът на производство на CMOS транзистор .

CMOS (допълнителен метален оксиден полупроводник)

CMOS (допълнителен метален оксиден полупроводник)



NMOS

NMOS е изграден върху субстрат p-тип с източник n-тип и разпръснат по него дренаж. В NMOS по-голямата част от носителите са електрони. Когато високо напрежение е приложено към портата, NMOS ще проведе. По същия начин, когато ниско напрежение е приложено към портата, NMOS няма да проведе. NMOS се счита за по-бърз от PMOS, тъй като носителите в NMOS, които са електрони, се движат два пъти по-бързо от дупките.

NMOS транзистор

NMOS транзистор

PMOS

P-каналният MOSFET се състои от P-type Source и Drain, дифузирани върху N-тип субстрат. По-голямата част от носителите са дупки. Когато високо напрежение е приложено към портата, PMOS няма да проведе. Когато към портата се приложи ниско напрежение, PMOS ще проведе. Устройствата PMOS са по-имунизирани срещу шум от устройствата NMOS.


Транзистор PMOS

Транзистор PMOS

Принцип на работа на CMOS

В CMOS технологията, както N-тип, така и P-тип транзистори се използват за проектиране на логически функции. Същият сигнал, който включва транзистор от един тип, се използва за изключване на транзистор от другия тип. Тази характеристика позволява проектирането на логически устройства, използващи само прости превключватели, без да е необходим издърпващ резистор.

В CMOS логически порти колекция от n-тип MOSFET транзистори е подредена в падаща мрежа между изхода и захранващата релса за ниско напрежение (Vss или доста често земя). Вместо товарния резистор на логическите порти NMOS, логическите порти CMOS имат колекция от p-тип MOSFET в изтегляща мрежа между изхода и релсата с по-високо напрежение (често наричана Vdd).

CMOS с използване на Pull Up & Pull Down

CMOS с използване на Pull Up & Pull Down

По този начин, ако и p-тип, и n-тип транзистор имат портите си свързани към един и същ вход, p-тип MOSFET ще бъде ВКЛЮЧЕН, когато n-тип MOSFET е OFF, и обратно. Мрежите са подредени така, че едната е ВКЛЮЧЕНА, а другата ИЗКЛЮЧЕНА за всеки модел на въвеждане, както е показано на фигурата по-долу.

CMOS предлага относително висока скорост, ниско разсейване на мощността, високи граници на шума и в двете състояния и ще работи в широк диапазон от източници и входни напрежения (при условие, че напрежението на източника е фиксирано). Освен това, за по-добро разбиране на принципа на работа на допълнителния метален оксиден полупроводник, трябва да обсъдим накратко CMOS логически портали, както е обяснено по-долу.

Кои устройства използват CMOS?

Технология като CMOS се използва в различни чипове като микроконтролери, микропроцесори, SRAM (статична RAM) и други цифрови логически схеми. Тази технология се използва в широк спектър от аналогови схеми, които включват преобразуватели на данни, сензори за изображения и силно вградени приемо-предаватели за няколко вида комуникация.

CMOS инвертор

Инверторната верига, както е показано на фигурата по-долу. Състои се от PMOS и NMOS FET . Входът A служи като напрежение на затвора за двата транзистора.

NMOS транзисторът има вход от Vss (земя), а PMOS транзисторът има вход от Vdd. Извежда се терминалът Y. Когато на входния извод (A) на инвертора се даде високо напрежение (~ Vdd), PMOS се превръща в отворена верига и NMOS се изключва, така че изходът ще бъде изтеглен до Vss.

CMOS инвертор

CMOS инвертор

Когато напрежение на ниско ниво (

ВХОД ЛОГИЧЕСКИ ВХОД ИЗХОД ЛОГИЧЕСКИ ИЗХОД
0 v0Vdd1
Vdd10 v0

CMOS NAND порта

Фигурата по-долу показва 2-входна допълнителна MOS NAND порта. Състои се от два серийни NMOS транзистора между Y и Ground и два паралелни PMOS транзистора между Y и VDD.

Ако някой от входовете A или B е логически 0, поне един от NMOS транзисторите ще бъде изключен, прекъсвайки пътя от Y към земята. Но поне един от pMOS транзисторите ще бъде включен, създавайки път от Y до VDD.

Две входни NAND порта

Две входни NAND порта

Следователно изходът Y ще бъде висок. Ако и двата входа са високи, и двата nMOS транзистора ще бъдат ВКЛЮЧЕНИ, а двата pMOS транзистора ще бъдат изключени. Следователно изходът ще бъде логически нисък. Таблицата на истината на логическата порта NAND, дадена в таблицата по-долу.

ДА СЕ Б. Изтегляща се мрежа Издърпваща мрежа ИЗХОД Y
00ИЗКЛЮЧЕНОНА1
01ИЗКЛЮЧЕНОНА1
10ИЗКЛЮЧЕНОНА1
11НАИЗКЛЮЧЕНО0

CMOS NOR порта

На фигурата по-долу е показан NOR вход с 2 входа. Транзисторите NMOS са успоредни, за да изтеглят изхода ниско, когато всеки вход е висок. Транзисторите PMOS са последователно, за да изтеглят изхода високо, когато и двата входа са ниски, както е дадено в таблицата по-долу. Изходът никога не остава плаващ.

Две входни NOR порта

Две входни NOR порта

Таблицата на истината на логическата порта NOR, дадена в таблицата по-долу.

ДА СЕ Б. Y.
001
010
100
110

Изработка на CMOS

Производството на CMOS транзистори може да се извърши върху пластината от силиций. Диаметърът на вафлата варира от 20 мм до 300 мм. При това процесът на литография е същият като печатната машина. На всяка стъпка могат да се отлагат различни материали, гравирани по друг начин с шарки. Този процес е много лесен за разбиране чрез разглеждане на горната част на вафлата, както и напречното сечение в рамките на опростен метод на сглобяване. Производството на CMOS може да се осъществи чрез използване на три технологии, а именно N-кладенец pt P-кладенец, Twin кладенец, SOI (Silicon on Insulator). Моля, обърнете се към тази връзка, за да научите повече за Изработка на CMOS .

Живот на CMOS батерия

Типичният живот на CMOS батерията е приблизително 10 години. Но това може да се промени в зависимост от използването и околната среда, където и да се намира компютърът.

Симптоми на неизправност на CMOS батерията

Когато CMOS батерията се повреди, компютърът не може да поддържа точните час и дата на компютъра, след като е изключен. Например, след като компютърът е ВКЛЮЧЕН, може да видите часа и датата като 12:00 ч. И 1 януари 1990 г. Тази грешка посочва, че батерията на CMOS е неуспешна.

  • Зареждането на лаптопа е трудно
  • Звуковият сигнал може да се генерира непрекъснато от дънната платка на компютъра
  • Часът и датата са нулирани
  • Периферните устройства на компютрите не реагират правилно
  • Драйверите за хардуер са изчезнали
  • Интернет не може да бъде свързан.

CMOS характеристики

Най-важните характеристики на CMOS са ниско използване на статична мощност, огромен имунитет. Когато единичният транзистор от двойката транзистори MOSFET е изключен, тогава комбинацията от серия използва значителна мощност по време на превключване между двата посочени като ON и OFF.

В резултат на това тези устройства не генерират отпадъчна топлина в сравнение с други видове логически схеми като TTL или NMOS логика, които обикновено използват някакъв постоянен ток, дори те да не променят състоянието си.

Тези CMOS характеристики ще позволят интегриране на логически функции с висока плътност в интегрална схема. Поради това CMOS се превърна в най-често използваната технология, която се изпълнява в рамките на VLSI чипове.

Фразата MOS е препратка към физическата структура на MOSFET, която включва електрод с метален затвор, който е разположен в горната част на оксиден изолатор от полупроводников материал.

Материал като алуминий се използва само веднъж, но вече е полисилиций. Проектирането на други метални порти може да се извърши с помощта на завръщане чрез пристигането на високо-κ диелектрични материали в процеса на CMOS процеса.

CCD срещу CMOS

Сензорите за изображение като устройство, свързано със заряд (CCD) и допълнителен метален оксид-полупроводник (CMOS) са два различни вида технологии. Те се използват за цифрово заснемане на изображението. Всеки сензор за изображения има своите предимства, недостатъци и приложения.

Основната разлика между CCD и CMOS е начинът на заснемане на кадъра. Устройство, свързано със заряд като CCD, използва глобален затвор, докато CMOS използва ролетен затвор. Тези два сензора за изображение променят заряда от светлина към електрически и го обработват в електронни сигнали.

Производственият процес, използван в CCDs, е специален, за да формира капацитета за преместване на заряд през интегралната схема без промяна. Така че този производствен процес може да доведе до изключително висококачествени сензори за чувствителност към светлина и вярност.

За разлика от това, CMOS чиповете използват фиксирани производствени процедури за проектиране на чипа и подобен процес може да се използва и при изработването на микропроцесорите. Поради разликите в производството, има някои очевидни различия между сензорите като CCD 7 CMOS.

CCD сензорите ще улавят изображенията с по-малко шум и огромно качество, докато CMOS сензорите обикновено са по-податливи на шум.

Обикновено CMOS използва по-малко енергия, докато CCD използва много енергия като над 100 пъти за CMOS сензор.

Производството на CMOS чипове може да се извърши на всяка типична Si производствена линия, тъй като те са склонни да бъдат много евтини в сравнение с CCD. CCD сензорите са по-зрели, тъй като се произвеждат масово за дълъг период.

И двете CMOS и CCD изображения зависят от ефекта на фотоелектрика, за да направят електрическия сигнал от светлината

Въз основа на горните разлики, CCD се използват в камерите за насочване на висококачествени изображения чрез много пиксели и изключителна светлинна чувствителност. Обикновено CMOS сензорите имат по-малка резолюция, качество и чувствителност.
В някои приложения наскоро CMOS сензорите се подобряват до точката, където достигат почти равенство с CCD устройствата. Като цяло CMOS камерите не са скъпи и имат дълъг живот на батерията.

Забавяне в CMOS

Заключването може да се определи, когато възникне късо съединение между двата терминала като захранване и земя, така че да може да се генерира висок ток и да се повреди IC. В CMOS фиксирането е появата на следа с нисък импеданс между силовата релса и наземната релса поради комуникацията между двата транзистора като паразитни PNP и NPN транзистори .

В CMOS веригата двата транзистора като PNP и NPN са свързани към две захранващи релси като VDD & GND. Защитата на тези транзистори може да се осъществи чрез резистори.

При предаване с резе, токът ще тече от VDD към GND направо през двата транзистора, така че може да възникне късо съединение, като по този начин екстремен ток ще тече от VDD към земния терминал.

Съществуват различни методи за предотвратяване на резето

За предотвратяване на заключването, в пътеката може да се постави високо съпротивление, за да се спре потока на тока през цялото захранване и да се направи β1 * β2 под 1, като се използват следните методи.

Структурата на паразитния SCR ще проникне в околността на транзистори като PMOS и NMOS чрез изолиращ оксиден слой. Технологията за защита срещу заключване ще изключи устройството, след като се забележи заключване.

Услугите за тестване на заключване могат да се извършват от много доставчици на пазара. Този тест може да бъде направен чрез последователност от опити за активиране на структурата на SCR в CMOS IC, докато свързаните щифтове се проверяват, когато през него протича свръхток.

Препоръчително е да вземете първите проби от експерименталната партида и да ги изпратите в тестова лаборатория на Latch-up. Тази лаборатория ще приложи максимално постижимото захранване и след това ще осигури текущото захранване на входовете и изходите на чипа, когато възникне Latch-up чрез наблюдение на текущото захранване.

Предимства

Предимствата на CMOS включват следното.

Основните предимства на CMOS пред TTL са добрият шум, както и по-малкото потребление на енергия. Това се дължи на липсата на правопроводна лента от VDD към GND, време на падане въз основа на условията на входа, след което предаването на цифровия сигнал ще стане лесно и евтино чрез CMOS чипове.

CMOS се използва за обяснение на количеството памет на дънната платка на компютъра, която ще се съхранява в настройките на BIOS. Тези настройки включват основно датата, часа и настройките на хардуера
TTL е цифрова логическа схема, където биполярни транзистори работят върху постояннотокови импулси. Няколко транзисторни логически порта обикновено са изградени от една интегрална схема.

Изходите, ако CMOS управлява активно и по двата начина

  • Той използва едно захранване като + VDD
  • Тези порти са много прости
  • Входният импеданс е висок
  • CMOS логиката използва по-малко енергия, когато се държи в зададено състояние
  • Разсейването на мощността е незначително
  • Вентилаторът е висок
  • TTL съвместимост
  • Стабилност на температурата
  • Имунитетът срещу шум е добър
  • Компактен
  • Проектирането е много добре
  • Здрав механично
  • Логическото люлеене е голямо (VDD)

Недостатъци

Недостатъците на CMOS включват следното.

  • Разходите ще бъдат увеличени след увеличаване на стъпките за обработка, но това може да бъде разрешено.
  • Плътността на опаковане на CMOS е ниска в сравнение с NMOS.
  • MOS чиповете трябва да бъдат предпазени от получаване на статични заряди чрез поставяне на късите проводници, в противен случай статичните заряди, получени в тях, ще повредят чипа. Този проблем може да бъде решен чрез включване на защитни вериги в противен случай устройства.
  • Друг недостатък на CMOS инвертора е, че той използва два транзистора за разлика от един NMOS за изграждане на инвертор, което означава, че CMOS използва повече пространство над чипа в сравнение с NMOS. Тези недостатъци са малки поради напредъка в рамките на CMOS технологията.

CMOS приложения

Допълнителните MOS процеси бяха широко приложени и фундаментално замениха NMOS и биполярни процеси за почти всички цифрови логически приложения. CMOS технологията е използвана за следните цифрови IC проекти.

  • Компютърни спомени, процесори
  • Микропроцесорни дизайни
  • Проектиране на чипове за флаш памет
  • Използва се за проектиране на специфични за приложение интегрални схеми (ASIC)

По този начин CMOS транзисторът е много известен защото те използват ефективно електрическа енергия. Те не използват електрическо захранване, когато променят от едно състояние на друго. Също така, безплатните полупроводници работят взаимно, за да спрат напрежението o / p. Резултатът е дизайн с ниска мощност, който осигурява по-малко топлина, поради тази причина тези транзистори са променили други по-ранни конструкции, като CCD в рамките на сензорите на камерата и използвани в повечето от настоящите процесори. Паметта на CMOS в компютъра е вид енергонезависима RAM памет, която съхранява настройките на BIOS и информацията за час и дата.

Вярвам, че сте разбрали по-добре тази концепция. Освен това, всякакви въпроси относно тази концепция или проекти за електроника , моля, дайте вашите ценни предложения, като коментирате в раздела за коментари по-долу. Ето въпрос към вас, защо CMOS е за предпочитане пред NMOS?