Apa itu CMOS: Prinsip Kerja & Aplikasinya

Cuba Instrumen Kami Untuk Menghapuskan Masalah





Istilah CMOS bermaksud 'Pelengkap Semikonduktor Oksida Logam'. Ini adalah salah satu teknologi yang paling popular dalam industri reka bentuk cip komputer dan digunakan secara meluas hari ini untuk membentuk litar bersepadu dalam banyak dan pelbagai aplikasi. Kenangan komputer, CPU, dan telefon bimbit masa kini menggunakan teknologi ini kerana beberapa kelebihan utama. Teknologi ini menggunakan kedua-dua peranti semikonduktor saluran P dan saluran N. Salah satu teknologi MOSFET yang paling popular yang ada sekarang ialah teknologi MOS atau CMOS Pelengkap. Ini adalah teknologi semikonduktor yang dominan untuk mikropemproses, cip mikrokontroler, kenangan seperti RAM, ROM, EEPROM dan litar bersepadu khusus aplikasi (ASIC).

Pengenalan Teknologi MOS

Dalam reka bentuk IC, komponen asas dan paling penting adalah transistor. Jadi MOSFET adalah salah satu jenis transistor yang digunakan dalam banyak aplikasi. Pembentukan transistor ini boleh dilakukan seperti sandwic dengan memasukkan lapisan semikonduktor, umumnya wafer, potongan dari satu kristal silikon lapisan silikon dioksida & lapisan logam. Lapisan ini membolehkan transistor terbentuk di dalam bahan semikonduktor. Penebat yang baik seperti Sio2 mempunyai lapisan nipis dengan ketebalan seratus molekul.




Transistor yang kami gunakan silikon polikristalin (poli) dan bukannya logam untuk bahagian gerbangnya. Gerbang Polysilicon FET dapat diganti hampir menggunakan gerbang logam dalam IC berskala besar. Kadang kala, FET polysilicon & metal disebut sebagai IGFET yang bermaksud FET pintu bertebat, kerana Sio2 di bawah gerbang adalah penebat.

CMOS (Semikonduktor Oksida Logam Pelengkap)

Yang utama kelebihan CMOS berbanding NMOS dan teknologi BIPOLAR adalah pelesapan kuasa yang jauh lebih kecil. Tidak seperti litar NMOS atau BIPOLAR, litar MOS Pelengkap hampir tidak mempunyai pelesapan kuasa statik. Kuasa hanya hilang sekiranya litar benar-benar bertukar. Ini membolehkan menggabungkan lebih banyak gerbang CMOS pada IC daripada di NMOS atau teknologi bipolar , menghasilkan prestasi yang jauh lebih baik. Transistor Semikonduktor Logam Pelengkap terdiri daripada M-saluran MOS (PMOS) dan N-saluran MOS (NMOS). Sila rujuk pautan untuk mengetahui lebih lanjut mengenai proses fabrikasi transistor CMOS .



CMOS (Semikonduktor Oksida Logam Pelengkap)

CMOS (Semikonduktor Oksida Logam Pelengkap)

NMOS

NMOS dibina di atas substrat jenis-p dengan sumber jenis-n dan saliran disebarkan di atasnya. Di NMOS, majoriti pembawa adalah elektron. Apabila voltan tinggi diterapkan ke pintu, NMOS akan melakukan. Begitu juga, apabila voltan rendah digunakan pada pintu, NMOS tidak akan berlaku. NMOS dianggap lebih cepat daripada PMOS, kerana pembawa di NMOS, yang merupakan elektron, bergerak dua kali lebih cepat dari lubang.

Transistor NMOS

Transistor NMOS

PMOS

Saluran P MOSFET terdiri daripada Sumber Jenis-P dan Saliran disebarkan pada substrat jenis-N. Majoriti pembawa adalah lubang. Apabila voltan tinggi digunakan pada pintu, PMOS tidak akan berfungsi. Apabila voltan rendah digunakan pada pintu, PMOS akan melakukan. Peranti PMOS lebih kebal terhadap bunyi daripada peranti NMOS.


Transistor PMOS

Transistor PMOS

Prinsip Kerja CMOS

Dalam teknologi CMOS, kedua-dua transistor jenis N dan P digunakan untuk merancang fungsi logik. Isyarat yang sama yang menghidupkan transistor satu jenis digunakan untuk mematikan transistor jenis lain. Ciri ini membolehkan reka bentuk peranti logik menggunakan suis sederhana sahaja, tanpa memerlukan perintang penarik.

Di CMOS gerbang logik koleksi MOSFET jenis-n disusun dalam rangkaian pull-down antara output dan rel bekalan kuasa voltan rendah (Vss atau cukup kerap tanah). Daripada perintang beban gerbang logik NMOS, gerbang logik CMOS mempunyai koleksi MOSFET jenis-p dalam rangkaian penarik antara output dan rel voltan tinggi (sering dinamakan Vdd).

CMOS menggunakan Pull Up & Pull Down

CMOS menggunakan Pull Up & Pull Down

Oleh itu, jika kedua-dua transistor jenis-p dan jenis-n mempunyai gerbang mereka yang tersambung ke input yang sama, MOSFET jenis-p akan AKTIF apabila MOSFET jenis-n MATI, dan sebaliknya. Rangkaian diatur sedemikian rupa sehingga satu ON dan yang lain OFF untuk sebarang corak input seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

CMOS menawarkan kelajuan yang relatif tinggi, pembuangan daya rendah, margin kebisingan tinggi di kedua-dua negeri, dan akan beroperasi pada pelbagai sumber dan voltan input (dengan syarat voltan sumber tetap). Selanjutnya, untuk pemahaman yang lebih baik mengenai prinsip kerja Semikonduktor Pelengkap Logam Oksida, kita perlu membincangkan secara ringkas gerbang logik CMOS seperti yang dijelaskan di bawah.

Peranti mana yang menggunakan CMOS?

Teknologi seperti CMOS digunakan dalam cip yang berbeza seperti mikrokontroler, mikropemproses, SRAM (RAM statik) & litar logik digital yang lain. Teknologi ini digunakan dalam berbagai rangkaian analog yang merangkumi penukar data, sensor gambar & transceiver yang sangat digabungkan untuk beberapa jenis komunikasi.

Penyongsang CMOS

Litar penyongsang seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah. Ia terdiri daripada PMOS dan NMOS FET . Input A berfungsi sebagai voltan pintu bagi kedua-dua transistor.

Transistor NMOS mempunyai input dari Vss (ground) dan transistor PMOS mempunyai input dari Vdd. Terminal Y adalah output. Apabila voltan tinggi (~ Vdd) diberikan di terminal input (A) penyongsang, PMOS menjadi litar terbuka, dan NMOS dimatikan sehingga output akan diturunkan ke Vss.

Penyongsang CMOS

Penyongsang CMOS

Apabila voltan tahap rendah (

INPUT INPUT LOGIK PENGELUARAN HASIL LOGIK
0 v0Vdd1
Vdd10 v0

Pintu CMOS NAND

Gambar di bawah menunjukkan gerbang MOS NAND Pelengkap 2-input. Ia terdiri daripada dua siri transistor NMOS antara Y dan Ground dan dua transistor PMOS selari antara Y dan VDD.

Sekiranya salah satu input A atau B adalah logik 0, sekurang-kurangnya salah satu transistor NMOS akan MATI, melanggar jalan dari Y ke Ground. Tetapi sekurang-kurangnya salah satu transistor pMOS akan ON, mewujudkan jalan dari Y ke VDD.

Pintu NAND Dua Input

Pintu NAND Dua Input

Oleh itu, output Y akan tinggi. Sekiranya kedua-dua input tinggi, kedua transistor nMOS akan AKTIF dan kedua-dua transistor pMOS akan MATI. Oleh itu, output akan rendah. Jadual kebenaran gerbang logik NAND diberikan dalam jadual di bawah.

KE B Rangkaian Pull-Down Rangkaian Pull-up KELUAR Y
00MATIHIDUP1
01MATIHIDUP1
10MATIHIDUP1
11HIDUPMATI0

Pintu CMOS NOR

Gerbang NOR 2-input ditunjukkan pada gambar di bawah. Transistor NMOS selari untuk menarik output rendah apabila salah satu input tinggi. Transistor PMOS secara bersiri untuk menarik output tinggi ketika kedua input rendah, seperti yang diberikan dalam jadual di bawah. Keluaran tidak pernah dibiarkan terapung.

Pintu NOR Dua Input

Pintu NOR Dua Input

Jadual kebenaran gerbang logik NOR diberikan dalam jadual di bawah.

KE B Y
001
010
100
110

Pembuatan CMOS

Pembuatan transistor CMOS boleh dilakukan pada wafer silikon. Diameter wafer berkisar antara 20mm hingga 300mm. Dalam hal ini, proses Lithografi sama dengan mesin cetak. Pada setiap langkah, bahan yang berbeza dapat disimpan, terukir dengan corak lain. Proses ini sangat mudah difahami dengan melihat bahagian atas wafer dan juga keratan rentas dalam kaedah pemasangan yang dipermudahkan. Pembuatan CMOS dapat dicapai dengan menggunakan tiga teknologi iaitu N-well pt P-well, Twin well, SOI (Silicon on Insulator). Sila rujuk pautan ini untuk mengetahui lebih lanjut mengenai Pembuatan CMOS .

Sepanjang Hayat Bateri CMOS

Jangka hayat bateri CMOS adalah lebih kurang 10 Tahun. Tetapi, ini boleh berubah berdasarkan penggunaan dan persekitaran di mana sahaja PC berada.

Gejala Gagal Bateri CMOS

Apabila bateri CMOS gagal, maka komputer tidak dapat mengekalkan waktu & tarikh yang tepat di komputer setelah dimatikan. Contohnya, apabila komputer dihidupkan, anda mungkin melihat waktu dan tarikh seperti 12:00 PM & 1 Januari 1990. Kesalahan ini menunjukkan bahawa bateri CMOS gagal.

  • Boot komputer riba sukar
  • Bunyi bip dapat dihasilkan secara berterusan dari papan induk komputer
  • Masa & tarikh telah ditetapkan semula
  • Periferal komputer tidak bertindak balas dengan betul
  • Pemacu perkakasan telah hilang
  • Internet tidak dapat dihubungkan.

Ciri-ciri CMOS

Ciri CMOS yang paling penting adalah penggunaan kuasa statik rendah, kekebalan bunyi yang besar. Apabila transistor tunggal dari pasangan transistor MOSFET dimatikan, kombinasi siri menggunakan kuasa yang ketara sepanjang beralih antara kedua-dua yang dinyatakan seperti ON & OFF.

Akibatnya, peranti ini tidak menghasilkan haba sisa berbanding dengan jenis litar logik lain seperti logik TTL atau NMOS, yang biasanya menggunakan arus tetap walaupun mereka tidak mengubah keadaannya.

Ciri CMOS ini akan memungkinkan untuk mengintegrasikan fungsi logik dengan ketumpatan tinggi pada litar bersepadu. Oleh kerana itu, CMOS telah menjadi teknologi yang paling sering digunakan untuk dilaksanakan dalam cip VLSI.

Frasa MOS adalah rujukan kepada struktur fizikal MOSFET yang merangkumi elektrod dengan gerbang logam yang terletak di bahagian atas penebat oksida bahan semikonduktor.

Bahan seperti Aluminium hanya digunakan sekali sahaja namun bahannya sekarang adalah polisilikon. Perancangan gerbang logam lain dapat dilakukan dengan menggunakan kemunculan semula melalui kedatangan bahan dielektrik tinggi-κ dalam proses proses CMOS.

CCD Vs CMOS

Sensor gambar seperti peranti bercas cas (CCD) & pelengkap logam-oksida-semikonduktor (CMOS) adalah dua jenis teknologi yang berbeza. Ini digunakan untuk menangkap gambar secara digital. Setiap sensor gambar mempunyai kelebihan, kekurangan & aplikasinya.

Perbezaan utama antara CCD & CMOS adalah cara menangkap bingkai. Peranti bercas cas seperti CCD menggunakan shutter global sedangkan CMOS menggunakan shutter bergulir. Kedua sensor gambar ini mengubah cas dari cahaya ke elektrik & memprosesnya menjadi isyarat elektronik.

Proses pembuatan yang digunakan dalam CCD adalah khas untuk membentuk kapasiti untuk memindahkan cas melintasi IC tanpa perubahan. Oleh itu, proses pembuatan ini dapat menghasilkan sensor berkualiti tinggi mengenai kepekaan cahaya dan kesetiaan.

Sebaliknya, cip CMOS menggunakan prosedur pembuatan tetap untuk merancang cip dan proses serupa juga dapat digunakan dalam pembuatan mikropemproses. Kerana perbezaan dalam pembuatan, terdapat beberapa perbezaan yang jelas antara sensor seperti CCD 7 CMOS.

Sensor CCD akan menangkap gambar dengan bunyi yang kurang dan kualiti yang besar sedangkan sensor CMOS biasanya lebih mudah terdengar.

Biasanya, CMOS menggunakan lebih sedikit kuasa sedangkan CCD menggunakan banyak kuasa seperti lebih dari 100 kali ke sensor CMOS.

Pembuatan cip CMOS boleh dilakukan di mana-mana barisan pengeluaran Si biasa kerana ia cenderung sangat murah jika dibandingkan dengan CCD. Sensor CCD lebih matang kerana dihasilkan secara besar-besaran untuk jangka masa panjang.

Kedua-dua imej CMOS & CCD bergantung pada kesan fotolistrik untuk membuat isyarat elektrik dari cahaya

Berdasarkan perbezaan di atas, CCD digunakan dalam kamera untuk menargetkan gambar berkualiti tinggi melalui banyak piksel & kepekaan cahaya yang luar biasa. Biasanya, sensor CMOS mempunyai resolusi, kualiti & kepekaan yang kurang.
Dalam beberapa aplikasi, sensor CMOS baru-baru ini meningkat sehingga mencapai tahap yang hampir sama dengan peranti CCD. Secara amnya, kamera CMOS tidak mahal & baterinya mempunyai hayat yang tinggi.

Penambahbaikan dalam CMOS

Latch-up dapat didefinisikan sebagai ketika litar pintas berlaku di antara dua terminal seperti daya dan tanah sehingga arus tinggi dapat dihasilkan & IC dapat rosak. Di CMOS, latch-up adalah berlakunya jejak impedans rendah di antara landasan kuasa & landasan kereta api kerana komunikasi antara dua transistor seperti PNP & NPN parasit transistor .

Dalam litar CMOS, dua transistor seperti PNP & NPN disambungkan ke dua rel bekalan seperti VDD & GND. Perlindungan transistor ini boleh dilakukan melalui perintang.

Dalam transmisi latch-up, arus akan mengalir dari VDD ke GND terus melalui dua transistor sehingga litar pintas dapat terjadi, sehingga arus yang melampau akan mengalir dari VDD ke terminal tanah.

Terdapat kaedah yang berbeza untuk pencegahan penyekat

Dalam pencegahan penutupan, rintangan tinggi dapat diletakkan di laluan untuk menghentikan aliran arus sepanjang bekalan & untuk membuat β1 * β2 di bawah 1 dengan menggunakan kaedah berikut.

Struktur SCR parasit akan dipancarkan di sekitar transistor seperti PMOS & NMOS melalui lapisan oksida penebat. Teknologi untuk perlindungan latch-up akan mematikan peranti setelah penguncian diperhatikan.

Perkhidmatan pengujian latch-up dapat dilakukan oleh banyak vendor di pasaran. Ujian ini dapat dilakukan dengan urutan percubaan untuk mengaktifkan struktur SCR di IC CMOS sedangkan pin yang berkaitan diperiksa ketika arus berlebihan melaluinya.

Sebaiknya dapatkan sampel pertama dari lot eksperimen & hantar ke makmal ujian Latch-up. Makmal ini akan menggunakan bekalan kuasa yang paling dapat dicapai & kemudian memberikan bekalan semasa ke input & output cip setiap kali berlaku Latch-up melalui pemantauan bekalan semasa.

Kelebihan

Kelebihan CMOS merangkumi yang berikut.

Manfaat utama CMOS berbanding TTL adalah margin kebisingan yang baik serta penggunaan tenaga yang lebih sedikit. Ini disebabkan oleh tidak ada lorong pengalir langsung dari VDD ke GND, waktu jatuh berdasarkan keadaan input, maka penghantaran isyarat digital akan menjadi mudah & murah melalui cip CMOS.

CMOS digunakan untuk menjelaskan jumlah memori pada motherboard komputer yang akan disimpan dalam tetapan BIOS. Tetapan ini merangkumi tarikh, masa, dan tetapan perkakasan
TTL adalah litar logik digital di mana transistor bipolar berfungsi pada denyutan DC. Beberapa pintu logik transistor biasanya terdiri daripada satu IC.

Hasilnya jika CMOS memacu secara aktif dengan dua cara

  • Ia menggunakan bekalan kuasa tunggal seperti + VDD
  • Gerbang ini sangat sederhana
  • Impedans input tinggi
  • Logik CMOS menggunakan lebih sedikit kuasa setiap kali ia diadakan dalam keadaan yang ditetapkan
  • Pelesapan kuasa diabaikan
  • Kipas keluar tinggi
  • Keserasian TTL
  • Kestabilan suhu
  • Kekebalan bising adalah baik
  • Ringkas
  • Reka bentuk sangat baik
  • Kuat secara mekanikal
  • Ayunan logik besar (VDD)

Kekurangan

Kelemahan CMOS merangkumi perkara berikut.

  • Kosnya akan dinaikkan setelah langkah pemprosesan meningkat, namun ia dapat diselesaikan.
  • Ketumpatan pembungkusan CMOS rendah berbanding dengan NMOS.
  • Cip MOS harus dijamin daripada mendapat caj statik dengan meletakkan petunjuk pintas jika tidak, caj statik yang diperoleh dalam petunjuk akan merosakkan cip. Masalah ini dapat diselesaikan dengan memasukkan litar pelindung selain peranti.
  • Kelemahan lain dari penyongsang CMOS adalah bahawa ia menggunakan dua transistor berbanding satu NMOS untuk membina penyongsang, yang bermaksud bahawa CMOS menggunakan lebih banyak ruang di atas cip berbanding dengan NMOS. Kekurangan ini kecil kerana kemajuan dalam teknologi CMOS.

Aplikasi CMOS

Proses MOS pelengkap dilaksanakan secara meluas dan secara asasnya telah menggantikan proses NMOS dan bipolar untuk hampir semua aplikasi logik digital. Teknologi CMOS telah digunakan untuk reka bentuk IC digital berikut.

  • Ingatan komputer, CPU
  • Reka bentuk mikropemproses
  • Perancangan cip memori kilat
  • Digunakan untuk merancang litar bersepadu khusus aplikasi (ASIC)

Oleh itu, Transistor CMOS sangat terkenal kerana mereka menggunakan tenaga elektrik dengan cekap. Mereka tidak menggunakan bekalan elektrik setiap kali mereka berubah dari satu keadaan ke keadaan yang lain. Juga, semikonduktor percuma berfungsi bersama untuk menghentikan voltan o / p. Hasilnya adalah reka bentuk kuasa rendah yang memberikan lebih sedikit haba, kerana alasan ini, transistor ini telah menukar reka bentuk lain yang lebih awal seperti CCD di dalam sensor kamera & digunakan pada kebanyakan pemproses semasa. Memori CMOS dalam komputer adalah sejenis RAM yang tidak mudah berubah yang menyimpan tetapan BIOS & maklumat masa dan tarikh.

Saya percaya bahawa anda telah mendapat pemahaman yang lebih baik mengenai konsep ini. Selanjutnya, sebarang pertanyaan mengenai konsep ini atau projek elektronik , sila berikan cadangan berharga anda dengan memberi komen di bahagian komen di bawah. Inilah soalan untuk anda, mengapa CMOS lebih baik daripada NMOS?