מהו CMOS: עקרון עבודה ויישומיו

המונח CMOS מייצג 'מוליכים למחצה מתכתיים משלימים'. זוהי אחת הטכנולוגיות הפופולריות ביותר בתעשיית עיצוב שבבי המחשבים והיא משמשת כיום באופן נרחב לצורה מעגלים משולבים ביישומים רבים ומגוונים. זיכרונות המחשבים, המעבדים והטלפונים הסלולריים של ימינו משתמשים בטכנולוגיה זו בשל כמה יתרונות מרכזיים. טכנולוגיה זו עושה שימוש הן בערוץ P והן בהתקני מוליכים למחצה בערוץ N. אחת מטכנולוגיות ה- MOSFET הפופולריות ביותר הקיימות כיום היא טכנולוגיית ה- MOS או ה- CMOS המשלימה. זוהי טכנולוגיית המוליכים למחצה הדומיננטית למיקרו-מעבדים, שבבי מיקרו-בקר, זיכרונות כמו RAM, ROM, EEPROM ו- מעגלים משולבים ספציפיים ליישומים (ASIC).

מבוא לטכנולוגיית MOS

בתכנון IC, הרכיב הבסיסי והחיוני ביותר הוא הטרנזיסטור. אז MOSFET הוא סוג אחד של טרנזיסטור המשמש ביישומים רבים. היווצרות טרנזיסטור זה יכולה להיעשות כמו כריך על ידי הכללת שכבת מוליכים למחצה, בדרך כלל רקיק, פרוסה מגביש יחיד של סיליקון שכבה של דו תחמוצת הסיליקון ושכבת מתכת. שכבות אלה מאפשרות ליצור את הטרנזיסטורים בתוך חומר המוליך למחצה. לבודד טוב כמו Sio2 יש שכבה דקה בעובי של מאה מולקולות.

הטרנזיסטורים בהם אנו משתמשים בסיליקון רב-גבישי (פולי) במקום במתכת עבור חלקי השער שלהם. ניתן להחליף את שער ה- Polysilicon של FET כמעט באמצעות שערי מתכת בכבלי IC גדולים. לעיתים, הן FET של פוליסיליקון והן של מתכת מכונים IGFET שפירושו FET של שער מבודד, מכיוון שה- Sio2 מתחת לשער הוא מבודד.

CMOS (מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת משלימה)

הראשי היתרון של CMOS על פני NMOS וטכנולוגיית BIPOLAR היא פיזור ההספק הקטן בהרבה. בניגוד למעגלי NMOS או BIPOLAR, במעגל MOS משלים אין כמעט פיזור כוח סטטי. הכוח מתפוגג רק במקרה שהמעגל אכן עובר. זה מאפשר שילוב של יותר שערי CMOS ב- IC מאשר ב- NMOS או טכנולוגיה דו קוטבית , וכתוצאה מכך ביצועים טובים בהרבה. טרנזיסטור מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת משלימה מורכב מ- POS MOS (PMOS) ו- MOS של ערוץ N (NMOS). אנא עיין בקישור למידע נוסף אודות תהליך הייצור של טרנזיסטור CMOS .

CMOS (מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת משלימה)

NMOS

NMOS בנוי על מצע מסוג p עם מקור מסוג n וביוב מפוזר עליו. ב- NMOS, רוב הנשאים הם אלקטרונים. כאשר מוחל מתח גבוה על השער, ה- NMOS יתנהל. באופן דומה, כאשר מתח נמוך על השער, NMOS לא יתנהל. NMOS נחשב למהיר יותר מ- PMOS, מכיוון שהנשאים ב- NMOS, שהם אלקטרונים, נעים במהירות כפולה מהחור.

טרנזיסטור NMOS

PMOS

MOSFET של ערוץ P מורכב ממקור P ו- Drain המפוזרים על מצע מסוג N. רוב המובילים הם חורים. כאשר מתח גבוה על השער, ה- PMOS לא יתנהל. כאשר מוחל על השער מתח נמוך, ה- PMOS יתנהל. מכשירי ה- PMOS חסינים יותר מרעשים מאשר מכשירי NMOS.

טרנזיסטור PMOS

עקרון עבודה של CMOS

בטכנולוגיית CMOS, טרנזיסטורים מסוג N ו- P משמשים לתכנון פונקציות לוגיות. אותו אות המפעיל טרנזיסטור מסוג אחד משמש לכיבוי טרנזיסטור מהסוג השני. מאפיין זה מאפשר תכנון של מכשירי לוגיקה באמצעות מתגים פשוטים בלבד, ללא צורך בנגד משיכה.

ב- CMOS שערים לוגיים אוסף של MOSFET מסוג n מסודר ברשת נפתחת בין היציאה למסילת אספקת החשמל במתח נמוך (Vss או לעתים קרובות למדי הקרקע). במקום נגד העומס של שערי לוגיקה של NMOS, בשערי לוגיקה של CMOS יש אוסף של MOSFET מסוג p ברשת נשלפת בין הפלט למסילה במתח גבוה יותר (נקרא לעתים קרובות Vdd).

CMOS באמצעות Pull Up & Pull Down

לפיכך, אם גם טרנזיסטור מסוג p וגם מסוג n מחובר לשערים אלה לאותו קלט, ה- MOSFET מסוג p יהיה פועל כאשר ה- MOSFET מסוג n אינו פעיל, ולהיפך. הרשתות מסודרות כך שהאחת מופעלת והשנייה כבויה לכל תבנית קלט כפי שמוצג באיור למטה.

CMOS מציע מהירות גבוהה יחסית, פיזור הספק נמוך, מרווחי רעש גבוהים בשתי המדינות, והוא יפעל במגוון רחב של מתחי מקור וכניסה (בתנאי שמתח המקור קבוע). יתר על כן, לצורך הבנה טובה יותר של עקרון העבודה המוליך למחצה של תחמוצת מתכות משלימה, עלינו לדון בקצרה בשערי לוגיקה של CMOS כמוסבר להלן.

אילו מכשירים משתמשים ב- CMOS?

טכנולוגיה כמו CMOS משמשת בשבבים שונים כמו מיקרו-בקרים, מיקרו-מעבדים, SRAM (RAM סטטי) ומעגלים לוגיים דיגיטליים אחרים. טכנולוגיה זו משמשת במגוון רחב של מעגלים אנלוגיים הכוללים ממירי נתונים, חיישני תמונה ומשדרים משולבים במיוחד למספר סוגים של תקשורת.

מהפך CMOS

מעגל המהפך כפי שמוצג באיור למטה. זה מורכב מ PMOS ו- NMOS FET . הקלט A משמש כמתח השער לשני הטרנזיסטורים.

לטרנזיסטור NMOS יש קלט מ- Vss (קרקע) ולטרנזיסטור PMOS יש קלט מ- Vdd. הטרמינל Y מוצא. כאשר ניתן מתח גבוה (~ Vdd) במסוף הקלט (A) של המהפך, ה- PMOS הופך למעגל פתוח, ו- NMOS כבוי כך שהפלט יימשך למטה ל- Vss.

מהפך CMOS

כאשר מתח ברמה נמוכה (

שער NAND של CMOS

האיור שלהלן מציג שער MOS NAND משלים עם 2 כניסות. הוא מורכב משני טרנזיסטורי NMOS סדרתי בין Y לקרקע ושני טרנזיסטורי PMOS מקבילים בין Y ל- VDD.

אם קלט A או B הם לוגיים 0, לפחות אחד מהטרנזיסטורים NMOS יהיה כבוי, ויפר את הדרך מ- Y לקרקע. אבל לפחות אחד מהטרנזיסטורים של pMOS יהיה פועל, ויוצר נתיב מ- Y ל- VDD.

שני NAND שער קלט

לפיכך התפוקה Y תהיה גבוהה. אם שני הקלטים גבוהים, שני הטרנזיסטורים nMOS יהיו פועלים ושני הטרנזיסטורים pMOS יהיו כבויים. לפיכך, התפוקה תהיה נמוכה בהיגיון. טבלת האמת של שער ההיגיון של NAND המובאת בטבלה שלהלן.

שער CMOS NOR

שער NOR עם 2 כניסות מוצג באיור למטה. טרנזיסטורי ה- NMOS מקבילים למשוך את הפלט נמוך כאשר כל אחד מהקלטים גבוה. הטרנזיסטורים של PMOS הם בסדרה כדי למשוך את הפלט גבוה כששני הקלטים נמוכים, כמפורט בטבלה שלהלן. הפלט לעולם לא נשאר צף.

שני שער כניסה NOR

טבלת האמת של שער ההיגיון NOR המוצגת בטבלה שלהלן.

ייצור CMOS

ייצור טרנזיסטורי CMOS יכול להיעשות על רקיק הסיליקון. קוטר רקיק נע בין 20 מ'מ ל 300 מ'מ. בכך, תהליך הליטוגרפיה זהה למכונת הדפוס. על כל צעד, ניתן להפקיד חומרים שונים, לחרוט בדוגמתם אחרת. תהליך זה פשוט מאוד להבנה על ידי צפייה בחלקו העליון של רקיק כמו גם חתך רוחב בתוך שיטת הרכבה פשוטה. ייצור ה- CMOS יכול להתבצע באמצעות שלוש טכנולוגיות דהיינו N-well pt P-well, Twin well, SOI (Silicon on Isolator). אנא עיין בקישור זה למידע נוסף אודות ייצור CMOS .

אורך חיים של סוללת CMOS

אורך החיים האופייני של סוללת CMOS הוא כ -10 שנים. אבל, זה יכול להשתנות בהתבסס על השימוש והסביבה בכל מקום שבו נמצא המחשב האישי.

תסמיני כשל בסוללת CMOS

כאשר סוללת CMOS נכשלת, המחשב אינו יכול לשמור על השעה והתאריך המדויקים במחשב לאחר כיבויו. לדוגמא, לאחר שהמחשב פועל, ייתכן שתראה את השעה והתאריך כמו 12:00 ו- 1 בינואר 1990. תקלה זו מציינת שהסוללה של CMOS נכשלה.

• אתחול המחשב הנייד קשה
• ניתן להפיק את צליל הצפצוף ברציפות מלוח האם של המחשב
• השעה והתאריך אופסו
• ציוד היקפי של המחשבים לא מגיב כראוי
• מנהלי החומרה נעלמו
• לא ניתן לחבר את האינטרנט.

מאפייני CMOS

המאפיינים החשובים ביותר של CMOS הם ניצול חשמל סטטי נמוך, חסינות רעש עצומה. כאשר הטרנזיסטור היחיד מזוג הטרנזיסטור MOSFET מכובה, שילוב הסדרה משתמש בכוח משמעותי במהלך המעבר בין השניים המפורטים כמו ON & OFF.

כתוצאה מכך, מכשירים אלה אינם מייצרים בזבוז חום לעומת סוגים אחרים של מעגלי לוגיקה כגון לוגיקת TTL או NMOS, אשר בדרך כלל משתמשים בזרם עמידה כלשהו גם אם אינם משנים את מצבם.

מאפייני CMOS אלה יאפשרו שילוב פונקציות לוגיות עם צפיפות גבוהה במעגל משולב. מסיבה זו, CMOS הפכה לטכנולוגיה הנפוצה ביותר המבוצעת בתוך שבבי VLSI.

הביטוי MOS הוא התייחסות למבנה הפיזי של ה- MOSFET שכולל אלקטרודה עם שער מתכת שנמצא על גבי מבודד תחמוצת של חומר מוליך למחצה.

משתמשים בחומר כמו אלומיניום רק פעם אחת אולם החומר הוא כעת פוליסיליקון. תכנון של שערי מתכת אחרים יכול להיעשות באמצעות קאמבק דרך הגעתם של חומרים דיאלקטריים בעלי גבוהה κ בתהליך של תהליך ה- CMOS.

CCD מול CMOS

חיישני התמונה כמו המכשיר המצויד במטען (CCD) ומוליכים למחצה של תחמוצת מתכת משלימה (CMOS) הם שני סוגים שונים של טכנולוגיות. אלה משמשים לצילום התמונה בצורה דיגיטלית. לכל חיישן תמונה יש יתרונות, חסרונות ויישומים.

ההבדל העיקרי בין CCD ו- CMOS הוא הדרך ללכוד את המסגרת. מכשיר המצויד בטעינה כמו CCD משתמש בתריס גלובלי ואילו ה- CMOS משתמש בתריס גלילה. שני חיישני התמונה הללו משנים את המטען מאור לחשמל ומעבדים אותו לאותות אלקטרוניים.

תהליך הייצור המשמש ב- CCD הוא מיוחד כדי ליצור יכולת להעביר מטען על גבי ה- IC ללא שינוי. לכן, תהליך ייצור זה יכול להוביל לחיישנים איכותיים במיוחד הנוגעים לרגישות ואמינות לאור.

לעומת זאת, שבבי CMOS משתמשים בהליכי ייצור קבועים לעיצוב השבב וניתן להשתמש בתהליך דומה גם בייצור המיקרו-מעבדים. בגלל ההבדלים בייצור, יש כמה הבדלים ברורים בין החיישנים כמו CCD 7 CMOS.

חיישני CCD יתפסו את התמונות בפחות רעש ובאיכות עצומה ואילו חיישני CMOS בדרך כלל נוטים יותר לרעש.

בדרך כלל, CMOS משתמש בפחות כוח ואילו ה- CCD משתמש בהמון כוח כמו יותר מ 100 פעמים לחיישן CMOS.

ייצור שבבי CMOS יכול להיעשות בכל קו ייצור טיפוסי של Si מכיוון שהם נוטים להיות זולים מאוד בהשוואה ל- CCD. חיישני CCD בשלים יותר מכיוון שהם מיוצרים המונית לתקופה ארוכה.

שני צילומי ה- CMOS וה- CCD תלויים בהשפעת הפוטואלקטרית כדי ליצור את האות החשמלי מהאור

בהתבסס על ההבדלים לעיל, משתמשים במצלמות CCD במיקוד לתמונות באיכות גבוהה באמצעות הרבה פיקסלים ורגישות אור יוצאת מן הכלל. בדרך כלל, חיישני CMOS הם בעלי פחות רזולוציה, איכות ורגישות.
ביישומים מסוימים, חיישני CMOS משתפרים לאחרונה עד למצב שבו הם מגיעים כמעט לשוויון עם התקני CCD. בדרך כלל, מצלמות CMOS אינן יקרות ויש להן חיי סוללה גבוהים.

נעילה ב- CMOS

ניתן להגדיר נעילה כמתרחש הקצר בין שני המסופים כמו חשמל ואדמה כך שניתן ליצור זרם גבוה ולפגוע ב- IC. ב- CMOS, נעילה היא ההתרחשות של שביל עכבה נמוכה בין מסילת הכוח והרכבת הקרקעית בגלל התקשורת בין שני הטרנזיסטורים כמו PNP טפילי ו- NPN. טרנזיסטורים .

במעגל CMOS, שני הטרנזיסטורים כמו PNP ו- NPN מחוברים לשתי מסילות אספקה ​​כמו VDD ו- GND. ההגנה על הטרנזיסטורים הללו יכולה להיעשות באמצעות נגדים.

בהעברת תפס, הזרם יזרום מ- VDD ל- GND היישר דרך שני הטרנזיסטורים כך שיוכל להתרחש קצר, וכך זרם קיצוני יזרום מ- VDD למסוף הקרקע.

ישנן שיטות שונות למניעת נעילה

למניעת נעילה, ניתן למקם התנגדות גבוהה בשביל לעצור את זרימת הזרם בכל האספקה ​​ולהפוך את β1 * β2 מתחת ל -1 באמצעות השיטות הבאות.

המבנה של SCR טפילי יועבר במקור סביב טרנזיסטורים כמו PMOS ו- NMOS דרך שכבת תחמוצת בידוד. הטכנולוגיה להגנת התפסנות תכבה את המכשיר לאחר שמבחינים בנעילה.

שירותי הבדיקה של נעילה יכולים להיעשות על ידי ספקים רבים בשוק. בדיקה זו יכולה להיעשות על ידי רצף ניסיונות להפעיל את מבנה SCR ב- CMOS IC ואילו הפינים הקשורים נבדקים כאשר זרם יתר זורם דרכו.

מומלץ להשיג את הדגימות הראשונות ממגרש הניסוי ולשלוח אותן למעבדת בדיקות של Latch-up. מעבדה זו תיישם את אספקת החשמל המושגת ביותר ואז תספק את האספקה ​​הנוכחית לתשומות ולפלטים של השבב בכל פעם שמתרחש נעילה באמצעות ניטור האספקה ​​הנוכחית.

יתרונות

היתרונות של CMOS כוללים את הדברים הבאים.

היתרונות העיקריים של CMOS לעומת TTL הם מרווח רעשים טוב וגם פחות צריכת חשמל. זאת בשל שום נתיב מוליך ישר מ- VDD ל- GND, זמני נפילה בהתבסס על תנאי הקלט, ואז שידור האות הדיגיטלי יהפוך לעלות ולעלות נמוכה באמצעות שבבי CMOS.

CMOS משמש להסבר כמות הזיכרון בלוח האם של המחשב אשר יאוחסן בהגדרות ה- BIOS. הגדרות אלה כוללות בעיקר את התאריך, השעה והגדרות החומרה
TTL הוא מעגל לוגי דיגיטלי שבו טרנזיסטורים דו קוטביים עובדים על פולסים של DC. כמה שערי לוגיקה של טרנזיסטורים מורכבים בדרך כלל מ- IC יחיד.

הפלטים אם CMOS נוהג באופן פעיל בשני הכיוונים

• הוא משתמש באספקת חשמל אחת כמו + VDD
• השערים האלה פשוטים מאוד
• עכבת הקלט גבוהה
• ההיגיון ב- CMOS משתמש בפחות כוח בכל פעם שהוא מוחזק במצב מוגדר
• פיזור כוח הוא זניח
• המאוורר הוא גבוה
• תאימות TTL
• יציבות הטמפרטורה
• חסינות רעש היא טובה
• קוֹמפָּקטִי
• עיצוב טוב מאוד
• מכני חזק
• התנודה ההגיונית גדולה (VDD)

חסרונות

החסרונות של CMOS כוללים את הדברים הבאים.

• העלות תוגדל לאחר שלבי העיבוד יגדלו, אולם ניתן לפתור אותה.
• צפיפות האריזה של CMOS נמוכה בהשוואה ל- NMOS.
• יש לאבטח שבבי MOS מלהשיג חיובים סטטיים על ידי הצבת הלידים בקיצור אחרת החיובים הסטטיים המתקבלים בתוך לידים יפגעו בשבב. ניתן לפתור בעיה זו על ידי הכללת מעגלי הגנה אחרת התקנים.
• חסרון נוסף של מהפך ה- CMOS הוא בכך שהוא משתמש בשני טרנזיסטורים בניגוד ל- NMOS אחד לבניית מהפך, מה שאומר שה- CMOS משתמש יותר מקום על גבי השבב בהשוואה ל- NMOS. חסרונות אלה קטנים עקב ההתקדמות בטכנולוגיית CMOS.

יישומי CMOS

תהליכי MOS משלימים יושמו באופן נרחב והחליפו ביסודם תהליכי NMOS ו דו קוטביים כמעט לכל יישומי ההיגיון הדיגיטלי. טכנולוגיית CMOS שימשה לעיצובי IC הדיגיטליים הבאים.

• זיכרונות מחשב, מעבדים
• עיצובים מיקרו-מעבדים
• תכנון שבב זיכרון פלאש
• משמש לתכנון מעגלים משולבים ספציפיים ליישומים (ASIC)

לפיכך, ה טרנזיסטור CMOS מפורסם מאוד כי הם משתמשים בכוח חשמלי ביעילות. הם לא משתמשים באספקת חשמל בכל פעם שהם משתנים ממצב אחד למשנהו. כמו כן, מוליכים למחצה החינמיים פועלים באופן הדדי כדי לעצור את מתח ה- o / p. התוצאה היא עיצוב בעל צריכת חשמל נמוכה שמספק פחות חום, מסיבה זו, טרנזיסטורים אלה שינו עיצובים קודמים אחרים כמו CCD בתוך חיישני מצלמה והשתמשו ברוב המעבדים הנוכחיים. הזיכרון של ה- CMOS בתוך המחשב הוא סוג של זיכרון RAM לא נדיף השומר את הגדרות ה- BIOS ואת המידע על זמן ותאריך.

אני מאמין שיש לך הבנה טובה יותר של המושג הזה. יתר על כן, כל שאלה בנוגע למושג זה או פרויקטים אלקטרוניים אנא הוסף את הצעותיך החשובות על ידי תגובה בקטע התגובות למטה. הנה שאלה עבורך, מדוע CMOS עדיף על NMOS?