O que é um CMOS: Princípio de funcionamento e suas aplicações

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O termo CMOS significa “Complementary Metal Oxide Semiconductor”. Esta é uma das tecnologias mais populares na indústria de design de chips de computador e é amplamente usada hoje para formar circuitos integrados em inúmeras e variadas aplicações. As memórias de computador, CPUs e telefones celulares de hoje fazem uso dessa tecnologia devido a várias vantagens importantes. Essa tecnologia faz uso de dispositivos semicondutores de canal P e canal N. Uma das tecnologias MOSFET mais populares disponíveis hoje é a tecnologia MOS ou CMOS Complementar. Esta é a tecnologia de semicondutor dominante para microprocessadores, chips de microcontroladores, memórias como RAM, ROM, EEPROM e circuitos integrados de aplicativos específicos (ASICs).

Introdução à Tecnologia MOS

No projeto do IC, o componente básico e mais essencial é o transistor. Portanto, o MOSFET é um tipo de transistor usado em muitas aplicações. A formação desse transistor pode ser feita como um sanduíche, incluindo uma camada semicondutora, geralmente um wafer, uma fatia de um único cristal de silício, uma camada de dióxido de silício e uma camada de metal. Essas camadas permitem que os transistores sejam formados dentro do material semicondutor. Um bom isolante como o Sio2 tem uma camada fina com uma espessura de cem moléculas.




Os transistores que usamos usam silício policristalino (poli) em vez de metal para suas seções de porta. A porta de polissilício do FET pode ser substituída quase que usando portas de metal em CIs de grande escala. Às vezes, ambos os FETs de polissilício e metal são referidos como IGFETs, o que significa FETs de porta isolada, porque o Sio2 abaixo da porta é um isolante.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

O principal vantagem de CMOS sobre NMOS e a tecnologia BIPOLAR é a dissipação de energia muito menor. Ao contrário dos circuitos NMOS ou BIPOLAR, um circuito MOS complementar quase não tem dissipação de energia estática. A energia só é dissipada no caso de o circuito realmente comutar. Isso permite a integração de mais portas CMOS em um IC do que em NMOS ou tecnologia bipolar , resultando em um desempenho muito melhor. O transistor de semicondutor de óxido de metal complementar consiste em MOS de canal P (PMOS) e MOS de canal N (NMOS). Consulte o link para saber mais sobre o processo de fabricação do transistor CMOS .



CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

NMOS

NMOS é construído em um substrato tipo p com fonte tipo n e dreno difundido nele. No NMOS, a maioria dos portadores são elétrons. Quando uma alta tensão é aplicada à porta, o NMOS conduzirá. Da mesma forma, quando uma baixa tensão é aplicada à porta, o NMOS não conduz. O NMOS é considerado mais rápido do que o PMOS, uma vez que os portadores do NMOS, que são elétrons, viajam duas vezes mais rápido que os buracos.

Transistor NMOS

Transistor NMOS

PMOS

O MOSFET do canal P consiste em Fonte e Dreno do tipo P difundidos em um substrato do tipo N. A maioria das operadoras são buracos. Quando uma alta tensão é aplicada ao gate, o PMOS não conduz. Quando uma baixa tensão é aplicada à porta, o PMOS conduz. Os dispositivos PMOS são mais imunes a ruídos do que os dispositivos NMOS.


PMOS Transistor

PMOS Transistor

Princípio de funcionamento do CMOS

Na tecnologia CMOS, os transistores do tipo N e do tipo P são usados ​​para projetar funções lógicas. O mesmo sinal que liga um transistor de um tipo é usado para desligar um transistor de outro tipo. Esta característica permite o projeto de dispositivos lógicos utilizando apenas chaves simples, sem a necessidade de um resistor pull-up.

Em CMOS portas lógicas uma coleção de MOSFETs tipo n é organizada em uma rede pull-down entre a saída e o trilho de alimentação de baixa tensão (Vss ou geralmente aterrado). Em vez do resistor de carga das portas lógicas NMOS, as portas lógicas CMOS têm uma coleção de MOSFETs do tipo p em uma rede pull-up entre a saída e o trilho de alta tensão (geralmente denominado Vdd).

CMOS usando pull up e pull down

CMOS usando pull up e pull down

Portanto, se um transistor do tipo p e do tipo n tiverem suas portas conectadas à mesma entrada, o MOSFET do tipo p estará LIGADO quando o MOSFET do tipo n estiver DESLIGADO e vice-versa. As redes são organizadas de forma que uma esteja LIGADA e a outra DESLIGADA para qualquer padrão de entrada, conforme mostrado na figura abaixo.

O CMOS oferece velocidade relativamente alta, baixa dissipação de energia, altas margens de ruído em ambos os estados e operará em uma ampla faixa de tensões de fonte e entrada (desde que a tensão da fonte seja fixa). Além disso, para uma melhor compreensão do princípio de funcionamento do semicondutor de óxido de metal complementar, precisamos discutir brevemente as portas lógicas CMOS, conforme explicado abaixo.

Quais dispositivos usam CMOS?

Tecnologia como CMOS é usada em diferentes chips como microcontroladores, microprocessadores, SRAM (RAM estática) e outros circuitos lógicos digitais. Esta tecnologia é usada em uma ampla gama de circuitos analógicos que incluem conversores de dados, sensores de imagem e transceptores altamente incorporados para vários tipos de comunicação.

Inversor CMOS

O circuito do inversor conforme mostrado na figura abaixo. Isso consiste de PMOS e NMOS FET . A entrada A serve como tensão de porta para ambos os transistores.

O transistor NMOS tem entrada de Vss (terra) e o transistor PMOS tem entrada de Vdd. O terminal Y é enviado. Quando uma alta tensão (~ Vdd) é fornecida no terminal de entrada (A) do inversor, o PMOS torna-se um circuito aberto e o NMOS é desligado, de modo que a saída será reduzida para Vss.

Inversor CMOS

Inversor CMOS

Quando uma tensão de baixo nível (

ENTRADA ENTRADA LÓGICA RESULTADO SAÍDA DE LÓGICA
0 v0Vdd1
Vdd10 v0

CMOS NAND Gate

A figura abaixo mostra uma porta complementar MOS NAND de 2 entradas. Ele consiste em duas séries de transistores NMOS entre Y e Terra e dois transistores PMOS paralelos entre Y e VDD.

Se a entrada A ou B for 0 lógico, pelo menos um dos transistores NMOS estará DESLIGADO, interrompendo o caminho de Y para o terra. Mas pelo menos um dos transistores pMOS estará ligado, criando um caminho de Y para VDD.

Porta NAND de duas entradas

Porta NAND de duas entradas

Portanto, a saída Y será alta. Se ambas as entradas estiverem altas, ambos os transistores nMOS estarão LIGADOS e ambos os transistores pMOS estarão DESLIGADOS. Conseqüentemente, a saída será lógica baixa. A tabela verdade da porta lógica NAND fornecida na tabela abaixo.

PARA B Rede pull-down Rede pull-up SAÍDA Y
00DESLIGADOSOBRE1
01DESLIGADOSOBRE1
10DESLIGADOSOBRE1
11SOBREDESLIGADO0

CMOS NOR Gate

Uma porta NOR de 2 entradas é mostrada na figura abaixo. Os transistores NMOS estão em paralelo para reduzir a saída quando qualquer uma das entradas for alta. Os transistores PMOS estão em série para aumentar a saída quando ambas as entradas estão baixas, conforme mostrado na tabela abaixo. A saída nunca é deixada flutuando.

Porta NOR de duas entradas

Porta NOR de duas entradas

A tabela verdade da porta lógica NOR fornecida na tabela abaixo.

PARA B Y
001
010
100
110

Fabricação CMOS

A fabricação de transistores CMOS pode ser feita no wafer de silício. O diâmetro do wafer varia de 20 mm a 300 mm. Nisso, o processo de litografia é igual ao da prensa tipográfica. Em cada etapa, diferentes materiais podem ser depositados, gravados de outra forma padronizados. Este processo é muito simples de entender, visualizando o topo do wafer, bem como a seção transversal dentro de um método de montagem simplificado. A fabricação de CMOS pode ser realizada através do uso de três tecnologias, nomeadamente N-well pt P-well, Twin well e SOI (Silicon on Insulator). Por favor, consulte este link para saber mais sobre Fabricação CMOS .

Bateria CMOS vitalícia

A vida útil típica de uma bateria CMOS é de aproximadamente 10 anos. Porém, isso pode mudar com base na utilização e nos arredores de onde o PC reside.

Sintomas de falha da bateria CMOS

Quando a bateria CMOS falha, o computador não consegue manter a hora e data exatas no computador depois de desligado. Por exemplo, uma vez que o computador está LIGADO, você pode ver a hora e a data como 12:00 PM e 1 ° de janeiro de 1990. Esta falha especifica que a bateria do CMOS falhou.

  • A inicialização do laptop é difícil
  • O som do bipe pode ser gerado continuamente a partir da placa-mãe do computador
  • A hora e a data foram zeradas
  • Os periféricos dos computadores não respondem corretamente
  • Os drivers de hardware desapareceram
  • A Internet não pode ser conectada.

Características CMOS

As características mais importantes do CMOS são a baixa utilização de energia estática e a grande imunidade a ruídos. Quando o único transistor do par de transistor MOSFET é DESLIGADO, a combinação em série usa uma potência significativa ao longo da comutação entre os dois indicados como LIGADO e DESLIGADO.

Como resultado, esses dispositivos não geram calor residual em comparação com outros tipos de circuitos lógicos, como TTL ou lógica NMOS, que geralmente usam alguma corrente permanente, mesmo que não mudem seu estado.

Essas características CMOS permitirão a integração de funções lógicas com alta densidade em um circuito integrado. Por causa disso, o CMOS se tornou a tecnologia mais usada para ser executada em chips VLSI.

A frase MOS é uma referência à estrutura física do MOSFET, que inclui um eletrodo com uma porta de metal que está localizada no topo de um isolador de óxido de material semicondutor.

Um material como o alumínio é usado apenas uma vez, no entanto, o material agora é polissilício. O projeto de outras portas de metal pode ser feito usando um retorno por meio da chegada de materiais dielétricos de alto κ dentro do processo do processo CMOS.

CCD Vs CMOS

Os sensores de imagem como o dispositivo de carga acoplada (CCD) e o semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) são dois tipos diferentes de tecnologias. Eles são usados ​​para capturar a imagem digitalmente. Cada sensor de imagem tem suas vantagens, desvantagens e aplicações.

A principal diferença entre CCD e CMOS é a maneira de capturar o quadro. Um dispositivo de carga acoplada como o CCD usa um obturador global, enquanto o CMOS usa um obturador de rolamento. Esses dois sensores de imagem mudam a carga de luz para elétrica e a processam em sinais eletrônicos.

O processo de fabricação usado em CCDs é especial para formar a capacidade de mover carga através do CI sem alteração. Portanto, este processo de fabricação pode levar a sensores de qualidade extremamente alta sobre sensibilidade e fidelidade à luz.

Em contraste, os chips CMOS usam procedimentos de fabricação fixos para projetar o chip e um processo semelhante também pode ser usado na fabricação dos microprocessadores. Por causa das diferenças na fabricação, existem algumas diferenças claras entre os sensores como o CCD 7 CMOS.

Os sensores CCD irão capturar as imagens com menos ruído e grande qualidade, enquanto os sensores CMOS são geralmente mais sujeitos a ruído.

Normalmente, o CMOS usa menos energia, enquanto o CCD usa muita energia, como mais de 100 vezes para o sensor CMOS.

A fabricação de chips CMOS pode ser feita em qualquer linha de produção típica de Si porque eles tendem a ser muito baratos em comparação com os CCDs. Os sensores CCD são mais maduros porque são produzidos em massa por um longo período.

Os imageadores CMOS e CCD dependem do efeito da fotoelétrica para fazer o sinal elétrico da luz

Com base nas diferenças acima, os CCDs são usados ​​em câmeras para direcionar imagens de alta qualidade por meio de muitos pixels e excelente sensibilidade à luz. Normalmente, os sensores CMOS têm menos resolução, qualidade e sensibilidade.
Em algumas aplicações, os sensores CMOS estão melhorando recentemente a ponto de atingirem quase a igualdade com os dispositivos CCD. Geralmente, as câmeras CMOS não são caras e têm uma vida útil elevada da bateria.

Latch-Up no CMOS

Um travamento pode ser definido como quando o curto-circuito ocorre entre os dois terminais, como alimentação e aterramento, de forma que alta corrente pode ser gerada e o IC pode ser danificado. No CMOS, latch-up é a ocorrência de trilha de baixa impedância entre o barramento de alimentação e o barramento de aterramento por causa da comunicação entre os dois transistores como PNP e NPN parasitas transistores .

No circuito CMOS, os dois transistores como PNP e NPN são conectados a dois trilhos de alimentação como VDD e GND. A proteção desses transistores pode ser feita por meio de resistores.

Em uma transmissão de engate, a corrente fluirá do VDD para o GND direto através dos dois transistores para que um curto-circuito possa ocorrer, portanto, a corrente extrema fluirá do VDD para o terminal de aterramento.

Existem diferentes métodos para prevenção de travamento

Na prevenção de travamento, alta resistência pode ser colocada na trilha para interromper o fluxo de corrente em todo o fornecimento e para tornar β1 * β2 abaixo de 1 usando os seguintes métodos.

A estrutura do SCR parasita será bifurcada no entorno de transistores como PMOS e NMOS através de uma camada de óxido isolante. A tecnologia para proteção de travamento desligará o dispositivo assim que o travamento for percebido.

Os serviços de teste de latch-up podem ser realizados por vários fornecedores no mercado. Este teste pode ser feito por uma sequência de tentativas para ativar a estrutura do SCR no IC CMOS, enquanto os pinos relacionados são verificados quando a sobrecorrente flui através dele.

Aconselha-se obter as primeiras amostras do lote experimental e enviá-las ao laboratório de testes da Latch-up. Este laboratório aplicará a melhor fonte de alimentação possível e, em seguida, fornecerá a fonte de corrente para as entradas e saídas do chip sempre que ocorrer um travamento por meio do monitoramento da fonte de corrente.

Vantagens

As vantagens do CMOS incluem o seguinte.

Os principais benefícios do CMOS em relação ao TTL são boa margem de ruído e menor consumo de energia. Isso se deve ao fato de não haver uma faixa de condução direta de VDD para GND, tempos de queda com base nas condições de entrada, então a transmissão do sinal digital se tornará fácil e de baixo custo através de chips CMOS.

CMOS é usado para explicar a quantidade de memória na placa-mãe do computador que irá armazenar nas configurações do BIOS. Essas configurações incluem principalmente a data, hora e configurações de hardware
TTL é um circuito lógico digital onde transistores bipolares funcionam em pulsos CC. Várias portas lógicas de transistor são normalmente compostas por um único IC.

As saídas se o CMOS conduzir ativamente de ambas as maneiras

  • Ele usa uma única fonte de alimentação como + VDD
  • Esses portões são muito simples
  • A impedância de entrada é alta
  • A lógica CMOS usa menos energia sempre que é mantida em um estado definido
  • A dissipação de energia é insignificante
  • Fan out é alto
  • Compatibilidade TTL
  • Estabilidade de temperatura
  • A imunidade ao ruído é boa
  • Compactar
  • Desenhar é muito bom
  • Robusta mecanicamente
  • A oscilação lógica é grande (VDD)

Desvantagens

As desvantagens do CMOS incluem o seguinte.

  • O custo aumentará quando as etapas de processamento aumentarem, no entanto, isso pode ser resolvido.
  • A densidade de empacotamento de CMOS é baixa em comparação com NMOS.
  • Os chips MOS devem ser protegidos contra cargas estáticas colocando os terminais em curto, caso contrário, as cargas estáticas obtidas dentro dos terminais danificarão o chip. Este problema pode ser resolvido incluindo circuitos de proteção ou outros dispositivos.
  • Outra desvantagem do inversor CMOS é que ele utiliza dois transistores em vez de um NMOS para construir um inversor, o que significa que o CMOS usa mais espaço no chip em comparação com o NMOS. Essas desvantagens são pequenas devido ao progresso dentro da tecnologia CMOS.

Aplicativos CMOS

Os processos complementares de MOS foram amplamente implementados e substituíram fundamentalmente os processos NMOS e bipolares para quase todas as aplicações de lógica digital. A tecnologia CMOS foi usada para os seguintes designs de IC digital.

  • Memórias de computador, CPUs
  • Projetos de microprocessador
  • Projeto de chip de memória flash
  • Usado para projetar circuitos integrados específicos de aplicativos (ASICs)

Assim, o Transistor CMOS é muito famoso porque eles usam a energia elétrica de forma eficiente. Eles não usam alimentação elétrica sempre que estão mudando de uma condição para outra. Além disso, os semicondutores complementares funcionam mutuamente para interromper a tensão o / p. O resultado é um design de baixo consumo de energia que fornece menos calor, devido a este motivo, esses transistores mudaram outros designs anteriores, como CCDs dentro dos sensores de câmera e utilizados na maioria dos processadores atuais. A memória do CMOS em um computador é um tipo de RAM não volátil que armazena as configurações do BIOS e as informações de hora e data.

Acredito que você tenha entendido melhor esse conceito. Além disso, quaisquer dúvidas sobre este conceito ou projetos eletrônicos , dê suas sugestões valiosas, comentando na seção de comentários abaixo. Aqui está uma pergunta para você, por que CMOS é preferível a NMOS?