A CMOS kifejezés a „kiegészítő fém-oxid félvezető” kifejezést jelenti. Ez az egyik legnépszerűbb technológia a számítógépes chipek tervezésében, és napjainkban széles körben használják a formázásra integrált áramkörök számos és változatos alkalmazásban. A mai számítógépes memóriák, CPU-k és mobiltelefonok ezt a technológiát számos fő előnye miatt használják. Ez a technológia mind a P csatornás, mind az N csatornás félvezető eszközöket használja. A ma elérhető egyik legnépszerűbb MOSFET technológia a kiegészítő MOS vagy CMOS technológia. Ez az uralkodó félvezető technológia a mikroprocesszorok, mikrokontroller chipek, memóriák, például RAM, ROM, EEPROM és alkalmazás-specifikus integrált áramkörök (ASIC).
Bevezetés a MOS technológiába
Az IC tervezésében az alapvető és legfontosabb elem a tranzisztor. Tehát a MOSFET egyfajta tranzisztor, amelyet sok alkalmazásban használnak. Ennek a tranzisztornak a kialakítása szendvicsszerűen történhet úgy, hogy tartalmaz egy félvezető réteget, általában ostyát, egy szilícium kristály egy szeletét, egy szilícium-dioxid és egy fém réteget. Ezek a rétegek lehetővé teszik a tranzisztorok kialakulását a félvezető anyagban. Egy olyan jó szigetelő, mint a Sio2, vékony réteggel rendelkezik, száz molekula vastagsággal.
Azok a tranzisztorok, amelyek kapu szekcióihoz fém helyett polikristályos szilíciumot (poli) használunk. A FET poliszilícium kapuja szinte fémkapuk felhasználásával cserélhető ki nagyméretű IC-kben. Néha a poliszilícium és a fém FET-eket IGFET-nek nevezik, ami szigetelt kapu FET-eket jelent, mert a kapu alatti Sio2 szigetelő.
CMOS (kiegészítő fém-oxid félvezető)
A fő a CMOS előnye az NMOS-szal szemben és a BIPOLAR technológia a sokkal kisebb energiaeloszlás. Az NMOS vagy a BIPOLAR áramkörökkel ellentétben a kiegészítő MOS áramkörnek szinte nincs statikus energiaeloszlása. Az áram csak akkor oszlik el, ha az áramkör valóban átkapcsol. Ez lehetővé teszi több CMOS kapu integrálását egy IC-re, mint az NMOS vagy az bipoláris technológia , ami sokkal jobb teljesítményt eredményez. A kiegészítő fém-oxid félvezető tranzisztor P-csatornás MOS-ból (PMOS) és N-csatornás MOS-ból (NMOS) áll. Kérjük, olvassa el a linket, ha többet szeretne megtudni a CMOS tranzisztor gyártási folyamata .
CMOS (kiegészítő fém-oxid félvezető)
NMOS
Az NMOS egy p típusú szubsztrátumra épül, amelynek n típusú forrása van, és amelyen diffundált a lefolyó. Az NMOS-ban a hordozók többsége elektron. Ha a kapun nagy feszültséget alkalmaznak, az NMOS vezetni fog. Hasonlóképpen, ha alacsony feszültséget alkalmaznak a kapun, az NMOS nem vezet. Az NMOS gyorsabbnak tekinthető, mint a PMOS, mivel az NMOS hordozói, amelyek elektronok, kétszer olyan gyorsan haladnak, mint a furatok.
NMOS tranzisztor
PMOS
A P-csatornás MOSFET egy N típusú szubsztrátumon diffundált P típusú Source és Drain csatornából áll. A hordozók többsége lyuk. Ha a kapun nagyfeszültséget alkalmaznak, a PMOS nem vezet. Amikor a kapun alacsony feszültséget alkalmaznak, a PMOS vezetni fog. A PMOS eszközök immunisabbak a zajra, mint az NMOS készülékek.
PMOS tranzisztor
CMOS működési elv
A CMOS technológiában mind az N, mind a P típusú tranzisztorokat használják a logikai funkciók tervezésére. Ugyanaz a jel, amely bekapcsol egy típusú tranzisztort, a másik típusú tranzisztor kikapcsolására szolgál. Ez a jellemző lehetővé teszi a logikai eszközök tervezését csak egyszerű kapcsolók segítségével, felhúzható ellenállás nélkül.
CMOS-ban logikai kapuk n típusú MOSFET-ek gyűjteménye egy lehúzható hálózatban van elrendezve a kimenet és a kisfeszültségű tápvezeték (Vss vagy elég gyakran földelt) között. Az NMOS logikai kapuk terhelési ellenállása helyett a CMOS logikai kapuk p-típusú MOSFET-ekkel rendelkeznek a kimenet és a magasabb feszültségű sín (gyakran Vdd néven) közötti pull-up hálózatban.
CMOS a Pull Up & Pull Down használatával
Így, ha mind a p, mind az n típusú tranzisztor kapuja ugyanahhoz a bemenethez van csatlakoztatva, akkor a p típusú MOSFET BE lesz kapcsolva, amikor az n típusú MOSFET KI van kapcsolva, és fordítva. A hálózatok úgy vannak elrendezve, hogy az egyik BE és a másik KI legyen bármilyen bemeneti mintához, amint az az alábbi ábrán látható.
A CMOS viszonylag nagy sebességet, alacsony energiaeloszlást, magas zajszintet kínál mindkét állapotban, és a forrás- és bemeneti feszültségek széles tartományában fog működni (feltéve, hogy a forrásfeszültség rögzített). Ezenkívül a kiegészítő fémoxid félvezető működési elvének jobb megértése érdekében röviden meg kell vitatnunk a CMOS logikai kapuit az alábbiakban ismertetettek szerint.
Melyik eszköz használja a CMOS-ot?
A CMOS-hoz hasonló technológiát különböző chipekben használják, mint mikrokontrollerek, mikroprocesszorok, SRAM (statikus RAM) és más digitális logikai áramkörök. Ezt a technológiát az analóg áramkörök széles körében alkalmazzák, ideértve az adatátalakítókat, képérzékelőket és erősen beépített adó-vevőket is, különféle kommunikációhoz.
CMOS Inverter
Az inverter áramköre az alábbi ábra szerint. Ez áll PMOS és NMOS FET . Az A bemenet mindkét tranzisztor kapufeszültségeként szolgál.
Az NMOS tranzisztor Vss (földelt), a PMOS tranzisztor pedig Vdd bemenettel rendelkezik. Az Y kapocs kimenet. Amikor az inverter bemeneti kapcsa (A) nagy feszültséget (~ Vdd) kap, a PMOS nyitott áramkörré válik, és az NMOS kikapcsol, így a kimenetet Vss-re húzzák le.
CMOS Inverter
Amikor alacsony szintű feszültség ( Az alábbi ábra egy 2 bemenetű kiegészítő MOS NAND kaput mutat. Két soros NMOS tranzisztorból áll Y és Ground között, valamint két párhuzamos PMOS tranzisztorból Y és VDD között. Ha az A vagy B bemenet logikai 0, akkor az egyik NMOS tranzisztor KI lesz kapcsolva, megtörve az Y és a Föld közötti utat. De a pMOS tranzisztorok közül legalább az egyik bekapcsolt állapotban lesz, és utat teremt Y-től VDD-ig. Két bemenet NAND kapu Ezért az Y kimenet magas lesz. Ha mindkét bemenet magas, akkor mindkét nMOS tranzisztor BE és mindkét pMOS tranzisztor KI lesz kapcsolva. Ezért a kimenet logikailag alacsony lesz. A NAND logikai kapu igazságtáblázata, amelyet az alábbi táblázat ad meg. A 2 bemenetű NOR kapu az alábbi ábrán látható. Az NMOS tranzisztorok párhuzamosan vannak, hogy alacsonyan húzzák a kimenetet, ha bármelyik bemenet magas. A PMOS tranzisztorok sorban vannak, hogy a kimenetet magasra húzzák, ha mindkét bemenet alacsony, amint azt az alábbi táblázat mutatja. A kimenetet soha nem hagyják lebegni. Két bemenet NOR kapu A NOR logikai kapu igazságtáblája az alábbi táblázatban található. A CMOS tranzisztorok gyártása elvégezhető a szilícium ostyán. Az ostya átmérője 20-300 mm között mozog. Ebben a Litográfia folyamata megegyezik a nyomdával. Minden lépésben különböző anyagokat lehet lerakni, más módon mintázni. Ezt a folyamatot nagyon egyszerű megérteni az ostya tetejének és keresztmetszetének megtekintésével egy egyszerűsített összeszerelési módszeren belül. A CMOS gyártása három technológia alkalmazásával érhető el, nevezetesen N-kút pt P-kút, Twin-kút, SOI (Silicon on Insulator). Kérjük, olvassa el ezt a linket, ha többet szeretne megtudni CMOS gyártás . A CMOS akkumulátor átlagos élettartama körülbelül 10 év. De ez a felhasználás és a környezet alapján változhat, bárhol is legyen a számítógép. Amikor a CMOS akkumulátor meghibásodik, a számítógép nem tudja fenntartani a pontos időt és dátumot a számítógépen, miután kikapcsolta. Például, ha a számítógép be van kapcsolva, megjelenhet az idő és a dátum, például 12:00 PM és 1990. január 1. Ez a hiba azt jelzi, hogy a CMOS akkumulátora nem működik. A CMOS legfontosabb jellemzői az alacsony statikus energiafelhasználás, a hatalmas zajállóság. Amikor a MOSFET tranzisztor párjának egyetlen tranzisztora kikapcsolt állapotban van, akkor a soros kombináció jelentős energiát használ a kapcsolás során a két kijelölt, például BE és KI között. Ennek eredményeként ezek az eszközök nem termelnek pazarló hőt, összehasonlítva más típusú logikai áramkörökkel, például a TTL vagy az NMOS logikával, amelyek általában némi állóáramot használnak, még akkor is, ha nem változtatják meg az állapotukat. Ezek a CMOS-jellemzők lehetővé teszik a nagy sűrűségű logikai funkciók integrálását egy integrált áramkörön. Emiatt a CMOS vált a leggyakrabban használt technológiává, amelyet a VLSI chipeken belül kell végrehajtani. Az MOS kifejezés a MOSFET fizikai szerkezetére utal, amely egy fém kapuval ellátott elektródot tartalmaz, amely a félvezető anyagú oxid szigetelő tetején helyezkedik el. Olyan anyagokat, mint az alumínium, csak egyszer használnak, azonban az anyag ma már többszörösen szilícium. Más fémkapuk megtervezése a visszatérés segítségével történhet, a magas κ dielektromos anyagok megérkezésével a CMOS folyamat folyamatába. A képérzékelők, mint például a töltéscsatolt eszköz (CCD) és a kiegészítő fém-oxid-félvezető (CMOS), kétféle technológia. Ezeket a kép digitális rögzítésére használják. Minden képérzékelőnek megvannak a maga előnyei, hátrányai és alkalmazásai. A CCD és a CMOS közötti fő különbség a keret rögzítésének módja. Egy töltéshez kapcsolt eszköz, mint például a CCD, globális redőnyt használ, míg a CMOS gördülő redőnyt használ. Ez a két képérzékelő fénytől elektromosra változtatja a töltést, és elektronikus jelekké dolgozza fel. A CCD-kben alkalmazott gyártási folyamat különleges, hogy kialakítsa azt a képességet, amely változtatás nélkül képes áthelyezni az IC-t. Tehát ez a gyártási folyamat rendkívül jó minőségű érzékelőkhöz vezethet a fényérzékenységről és a hűségről. Ezzel szemben a CMOS chipek fix gyártási eljárásokat alkalmaznak a chip megtervezéséhez, és hasonló eljárás alkalmazható a mikroprocesszorok készítéséhez is. A gyártásbeli különbségek miatt vannak olyan egyértelmű különbségek az érzékelők között, mint a CCD 7 CMOS. A CCD szenzorok kevesebb zajjal és hatalmas minőséggel rögzítik a képeket, míg a CMOS érzékelők általában jobban hajlamosak a zajra. Általában a CMOS kevesebb energiát fogyaszt, míg a CCD sok energiát használ fel, mint a CMOS-érzékelő több mint százszorosát. A CMOS chipek gyártása bármely tipikus Si gyártósoron elvégezhető, mert általában nagyon olcsók a CCD-khez képest. A CCD szenzorok érettebbek, mert hosszú ideig sorozatgyártással készülnek. Mind a CMOS, mind a CCD képalkotó a fotoelektromos hatástól függ, hogy a fényből származó elektromos jelet előállítsa A fenti különbségek alapján a CCD-ket a kamerákban használják, hogy kiváló képeket célozzanak meg sok pixel és kiemelkedő fényérzékenység révén. Általában a CMOS-érzékelők felbontása, minősége és érzékenysége kisebb. A reteszelés akkor határozható meg, amikor a rövidzárlat a két terminál között történik, mint például az áram és a föld, így nagy áram keletkezhet és az IC károsodhat. A CMOS-ban a reteszelés az alacsony impedanciájú nyomvonal előfordulása a villamos és a földi sín között a két tranzisztor, például a parazita PNP és az NPN közötti kommunikáció miatt. tranzisztorok . A CMOS áramkörben a két tranzisztor, mint a PNP és NPN, két tápvezetékhez csatlakozik, például a VDD és a GND-hez. Ezeknek a tranzisztoroknak a védelme ellenállásokon keresztül valósítható meg. Reteszelő átvitel esetén az áram VDD-ről GND-re egyenesen a két tranzisztoron át áramlik, így rövidzárlat léphet fel, így szélsőséges áram folyik a VDD-től a földi terminálig. Különböző módszerek léteznek a reteszelődés megelőzésére A reteszelés megelőzésében nagy ellenállást lehet elhelyezni a nyomvonalon, hogy megállítsák az áram áramlását a teljes ellátás során, és a β1 * β2 értéket 1 alá tegyék a következő módszerekkel. A parazita SCR szerkezete egy szigetelő oxidrétegen keresztül a tranzisztorok, például a PMOS és az NMOS körül lesz. A reteszelés elleni technológia kikapcsolja a készüléket, ha észreveszik a reteszelést. A reteszelés tesztelési szolgáltatásait a piac számos eladója végezheti el. Ezt a tesztet az SCR szerkezetének aktiválására tett kísérletek sorozatával lehet elvégezni a CMOS IC-ben, míg a kapcsolódó csapokat akkor ellenőrizzük, amikor a túláram átfolyik rajta. Javasoljuk, hogy szerezze be az első mintákat a kísérleti tételből, és küldje el a Latch-up tesztlaboratóriumába. Ez a labor a lehető legjobban elérhető tápegységet alkalmazza, majd biztosítja az áramellátást a chip bemeneteihez és kimeneteihez, amikor az áramellátás figyelemmel kísérésével reteszelés következik be. A CMOS előnyei a következők. A CMOS fő előnyei a TTL-hez képest a jó zajkülönbség, valamint a kevesebb energiafogyasztás. Ennek az az oka, hogy a VDD és a GND között nincs egyenesen vezetõ sáv, a bemeneti viszonyok alapján esési idõk vannak, akkor a digitális jel továbbítása könnyû és alacsony költségûvé válik a CMOS chipeken keresztül. A CMOS segítségével megmagyarázható a számítógép alaplapján a BIOS beállításaiban tárolható memória mennyisége. Ezek a beállítások elsősorban a dátumot, az időt és a hardver beállításait tartalmazzák A kimenetek, ha a CMOS mindkét irányban aktívan hajt A CMOS hátrányai a következők. A kiegészítő MOS folyamatokat széles körben alkalmazták, és szinte az összes digitális logikai alkalmazás alapjaiban helyettesítették az NMOS és a bipoláris folyamatokat. A CMOS technológiát a következő digitális IC tervekhez használták. Így a A CMOS tranzisztor nagyon híres mert hatékonyan használják az elektromos energiát. Nem használnak áramellátást, amikor egyik állapotról a másikra változnak. Ezenkívül a kiegészítő félvezetők kölcsönösen működnek az o / p feszültség leállítása érdekében. Az eredmény egy alacsony fogyasztású kivitel, amely kevesebb hőt szolgáltat, emiatt ezek a tranzisztorok megváltoztattak más korábbi konstrukciókat, például a kamerák érzékelőin belüli CCD-ket és a legtöbb jelenlegi processzort használják. A számítógépen lévő CMOS memória egyfajta nem felejtő RAM, amely tárolja a BIOS beállításait, valamint az idő és a dátum adatait. Úgy gondolom, hogy jobban megértette ezt a koncepciót. Továbbá, bármilyen kérdése van ezzel a koncepcióval, ill elektronikai projektek , kérjük, adja meg értékes javaslatait az alábbi megjegyzés részben kommentálva. Itt egy kérdés, miért előnyösebb a CMOS, mint az NMOS? BEMENET LOGIKAI BEMENET KIMENET LOGIKAI KIMENET 0 v 0 Vdd 1 Vdd 1 0 v 0 CMOS NAND kapu
NAK NEK B Lehúzható hálózat Felhúzható hálózat KIMENET Y 0 0 KI TOVÁBB 1 0 1 KI TOVÁBB 1 1 0 KI TOVÁBB 1 1 1 TOVÁBB KI 0 CMOS NOR kapu
NAK NEK B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 CMOS gyártás
A CMOS akkumulátor élettartama
A CMOS akkumulátor meghibásodási tünetei
CMOS-jellemzők
CCD Vs CMOS
Bizonyos alkalmazásokban a CMOS-érzékelők a közelmúltban olyan mértékben fejlődnek, hogy elérjék a CCD eszközökkel való egyenlőséget. Általában a CMOS kamerák nem drágák, és az akkumulátoruk élettartama magas.Latch-Up CMOS-ban
Előnyök
A TTL egy digitális logikai áramkör, ahol a bipoláris tranzisztorok DC impulzusokon működnek. Több tranzisztoros logikai kapu általában egyetlen IC-ből áll.Hátrányok
CMOS alkalmazások
