CMOS

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Bramka NAND w technologii CMOS
Bramka NOR w technologii CMOS

CMOS (ang. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) – technologia wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich. Dzięki temu układ statycznie nie pobiera żadnej mocy (pomijając niewielki prąd wyłączenia tranzystora), a prąd ze źródła zasilania płynie tylko w momencie przełączania – gdy przez bardzo krótką chwilę przewodzą jednocześnie oba tranzystory. Tracona w układach CMOS moc wzrasta nieliniowo wraz z częstotliwością przełączania, co wiąże się z przeładowywaniem wszystkich pojemności, szczególnie tych obciążających wyjścia.

Układy CMOS są relatywnie proste i tanie w produkcji umożliwiając uzyskanie bardzo dużych gęstości upakowania tranzystorów na jednostce powierzchni płytki krzemu. W nowoczesnych układach powierzchnia zajmowana przez jeden tranzystor jest znacznie mniejsza od 1 µm².

Historia[edytuj | edytuj kod]

Obwody CMOS zostały wynalezione w 1963 r. przez Franka Wanlassa z firmy Fairchild Semiconductor. Pierwszy układ scalony wykonany w technologii CMOS powstał w firmie Radio Corporation of America w 1968 r., pod kierunkiem Alberta Medwina. Oryginalnie układy CMOS stanowiły oszczędną alternatywę do energochłonnych układów TTL. Znikomy pobór mocy przez te układy przy małych częstotliwościach przełączania stanowił atut zwłaszcza w układach zegarów przemysłowych oraz wszędzie tam, gdzie czas pracy z baterii był istotniejszy niż szybkość działania. Z czasem poprawiono także parametry dynamiczne i po 25 latach układy CMOS zdominowały elektronikę cyfrową.

Temperatura pracy[edytuj | edytuj kod]

Typowe układy CMOS mogą pracować w zakresie od −55°C do +125°C. Jednak już w sierpniu 2008 roku istniały przesłanki, że obwody CMOS mogą działać nawet do −230°C, czyli 40 K[1]. Realnie, temperatury w pobliżu 40 K zostały osiągnięte w przypadku przetaktowywania procesora AMD Phenom II, który był chłodzony przy pomocy mieszanki ciekłego azotu i ciekłego helu[2].

Bardzo małe tranzystory CMOS, o wielkości rzędu 20 nm × 20 nm, uzyskują ograniczenie jednoelektronowe, gdy działają w temperaturze kriogenicznej w zakresie od −269°C (4 K) do około −258°C (15 K). Tranzystor taki wykazuje blokadę Coulomba z powodu postępującego, jeden po drugim, ładowania elektronów. Ilość elektronów zamkniętych w kanale jest napędzana przez napięcie bramki, poczynając od zera elektronów, może być ustawiona na 1 lub więcej[3].

Podział układów CMOS[edytuj | edytuj kod]

Układy CMOS można podzielić na cztery główne kategorie:

  1. Układy do zastosowań masowych, o niewielkiej szybkości działania. Przykładem są układy zegarkowe i proste, nieprogramowalne układy kalkulatorowe.
  2. Układy programowalne (takie jak układy PLD i FPGA) i specjalizowane (ASIC).
  3. Uniwersalne układy cyfrowe LSI i VLSI, głównie układy mikroprocesorowe i pamięciowe.
  4. Uniwersalne układy cyfrowe SSI i MSI, stanowiące funkcjonalne odpowiedniki układów TTL.

Podstawowe układy CMOS[edytuj | edytuj kod]

Inwerter wykonany w technologii CMOS (bramka logiczna NOT)

Inwerter[edytuj | edytuj kod]

Podstawowym układem CMOS jest inwerter, składający się z dwóch komplementarnych tranzystorów MOS, połączonych w sposób pokazany na rysunku obok. Obydwa tranzystory są wykonane z bramką krzemową (wykonaną z polikrzemu, który służy także do połączenia obydwu bramek). Granice obszarów p-n stanowią diody pasożytnicze.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Edwards C.. Temperature control. „Engineering & Technology Magazine”, 26 lipca - 8 sierpnia 2008. Institution of Engineering and Technology. 
  2. Maximum PC Staff: Overclocked AMD Phenom II Hits 6.5GHz with Liquid Nitrogen/Helium Cooling (ang.). blogs.amd.com/patmoorhead, 2009-1-26. [dostęp 2015-5-26].
  3. Prati, E.; De Michielis, M.; Belli, M.; Cocco, S.; Fanciulli, M.; Kotekar-Patil, D.; Ruoff, M.; Kern, D. P.; Wharam, D. A.; Verduijn, J.; Tettamanzi, G. C.; Rogge, S.; Roche, B.; Wacquez, R.; Jehl, X.; Vinet, M.; Sanquer, M.. Few electron limit of n-type metal oxide semiconductor single electron transistors. „Nanotechnology”. 23, s. 215204, 2012. PMID: 22552118. 

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Józef Kalisz, Podstawy elektroniki cyfrowej, WKiŁ, Warszawa, 2007