CMOS teknolojisine bir giriş
2024-07-09 6620

Dijital elektroniklerin evrimi, tamamlayıcı metal-oksit-sememikatör (CMOS) teknolojisinin geliştirilmesi ile şekillendirilmiştir.Daha hızlı işleme hızları ve daha verimli güç tüketimi ihtiyacına yanıt olarak ortaya çıkan CMOS teknolojisi, güç ve sinyal bütünlüğünü yönetmeye yönelik yenilikçi yaklaşımı ile devre tasarımını devrim yaratmıştır.Akım akışına bağlı olan bipolar kavşak transistör (BJT) cihazlarının aksine, CMOS cihazları, kapı akımını önemli ölçüde azaltan ve böylece güç kaybını en aza indiren voltaj kontrollü mekanizmalar kullanır.Bu teknoloji ilk olarak 1970'lerde elektronik saatlerde olduğu gibi tüketici elektroniğinde çekiş kazandı, ancak 1980'lerde CMO'ların modern elektroniklerde bir köşe taşı olarak konumunu gerçekten güçlendiren çok büyük ölçekli entegrasyonun (VLSI) ortaya çıktı.ERA, genel tasarım sürecini basitleştirirken, CMOS teknolojisinin devre güvenilirliğini, gürültü direncini ve değişen sıcaklık ve voltajlarda performansa tanık oldu.Bu geliştirmeler, transistör sayısını tek bir çipte sadece binlerce ila milyondan milyondan artırmakla kalmaz, aynı zamanda CMO'ların işlevselliğini hem dijital hem de karışık sinyal VLSI tasarımlarına genişleterek, üst düzey hızı ve transistör-transistör mantığı (TTL) gibi eski teknolojileri daha iyi performans gösterdi.daha düşük voltaj işlemleri.

Katalog

CMOS teknolojisinin anlaşılması

Tamamlayıcı metal oksit-semik-iletken (CMOS) teknolojisinin geliştirilmesi, dijital devre tasarımının ilerlemesinde büyük bir rol oynamıştır.Esas olarak daha hızlı işleme ve daha düşük enerji tüketimi ihtiyacı nedeniyle ortaya çıktı.Akım akışına bağlı bipolar bağlantı transistör (BJT) cihazlarının aksine, CMOS voltaj kontrollü mekanizmalar kullanır.Büyük fark, kapıdaki akımı azaltmaya yardımcı olur ve güç kaybını önemli ölçüde azaltır.1970'lerde, CMOS esas olarak elektronik saatler gibi tüketici elektroniğinde kullanıldı.

Manzara, 1980'lerde çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) teknolojisinin ortaya çıkmasıyla değişti.CMOS daha az güç kullanır, daha iyi gürültü direnci sunar ve çeşitli sıcaklık ve voltajlarda iyi performans gösterir.Ayrıca güvenilirliği ve esnekliği artıran devre tasarımını da basitleştirir.Bu özellikler, CMOS tabanlı yongaların entegrasyon yoğunluğunda büyük bir artışa izin verdi ve çip başına binlerce milyonlarca transistöre geçti.

Bugün, CMOS, daha düşük voltajlardaki üstün hızı ve verimliliği nedeniyle transistör-transistör mantığı (TTL) gibi eski teknolojilerden daha iyi performans gösteren hem dijital hem de karışık sinyal VLSI tasarımları için yararlıdır.Yaygın kullanımı, CMOS'un modern elektronikler üzerindeki dönüştürücü etkisini vurgular ve bu da günlük aletlerden gelişmiş hesaplama sistemlerine kadar her şey için teknoloji haline getirir.

Şekil 1: Elektriksel özellikleri dengelemek için kullanın

CMO'ların çalışma prensibi

Tamamlayıcı metal-oksit-semikondüktör (CMOS) teknolojisinin temel prensibi, verimli mantık devreleri oluşturmak için bir çift N tipi ve P tipi transistör kullanır.Tek bir giriş sinyali, bu transistörlerin anahtarlama davranışını kontrol ederek diğerini kapatırken açılır.Bu tasarım, diğer yarı iletken teknolojilerinde kullanılan geleneksel çekme dirençlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak tasarımı basitleştiriyor ve enerji verimliliğini artırıyor.

Bir CMOS kurulumunda, N-tipi MOSFET'ler (metal oksit-semiküktör alan-etki transistörleri), mantık kapısının çıkışını düşük voltaj beslemesine, genellikle topraklamaya (VSS) bağlayan bir aşağı aşağı ağ oluşturur.Bu, voltaj geçişlerini yönetmede daha az etkili olan ve güç kaybına daha yatkın olan eski NMOS mantık devrelerindeki yük dirençlerinin yerini alır.Tersine, p-tipi MOSFET'ler, çıkışı daha yüksek voltaj beslemesine (VDD) bağlayan bir pull-up ağı oluşturur.Bu çift ağ düzenlemesi, çıktının verilen herhangi bir giriş için stabil ve öngörülebilir şekilde kontrol edilmesini sağlar.

P-tipi bir MOSFET'in kapısı etkinleştirildiğinde, karşılık gelen N-tipi MOSFET kapatılırken açılır.Bu etkileşim sadece devre mimarisini basitleştirmekle kalmaz, aynı zamanda cihazın operasyonel güvenilirliğini ve işlevselliğini de artırır.CMOS teknolojisi, güvenilir ve verimli elektronik sistemlere ihtiyaç duyan kullanıcılar için faydalıdır.

Şekil 2: CMOS Tech'e Giriş

İnvertör

İnvertör, özellikle ikili aritmetik ve mantıksal işlemler için dijital devre tasarımında birincil bir unsurdur.Ana işlev, ikili mantık seviyeleri içindeki giriş sinyalini tersine çevirmektir.Basit bir ifadeyle, '0' düşük veya sıfır volt olarak kabul edilir ve '1' yüksek veya V volt'dur.Bir invertör 0 volt giriş aldığında, V volt çıkarır ve V volt aldığında 0 volt çıkarır.

Bir hakikat tablosu tipik olarak, olası tüm girişleri ve bunların karşılık gelen çıkışlarını listeleyerek invertörün işlevini gösterir.Bu tablo, '0' girişinin '1' çıkışını ürettiğini ve '1' girişinin '0' çıkışıyla sonuçlandığını açıkça göstermektedir.Bu ters çevirme işlemi, bilgi işlem ve dijital sistemlerde mantıksal kararlar ve veri işleme için gereklidir.

Daha karmaşık dijital etkileşimler için invertörün çalışması gereklidir.Üst düzey hesaplama görevlerinin sorunsuz bir şekilde yürütülmesini sağlar ve devreler içindeki veri akışını etkili bir şekilde yönetmeye yardımcı olur.

Tablo 1: İnverter Hakikat Tablosu

CMOS Inverter

CMOS inverter, Seri'ye bağlı NMO'lar ve PMOS transistörleri ile basit bir tasarıma sahip elektronikte bir verimlilik modelidir.Kapıları giriş olarak birbirine bağlanır ve drenajları çıkışı oluşturmak için bağlanır.Bu düzenleme, enerji verimliliği için devreyi optimize ederek güç dağılmasını azaltır.

Giriş sinyali yüksek olduğunda ('1' mantık), NMOS transistörü açık, akım yürütür ve çıkışı düşük bir duruma çeker (mantık '0').Aynı zamanda, PMOS transistörü kapalıdır ve pozitif arzı çıktıdan izole eder.Tersine, giriş düşük olduğunda ('0' mantık), NMOS transistörü kapanır ve PMOS transistörü açıklanarak çıkışı yüksek bir duruma (mantık '1') yönlendirir.

NMOS ve PMOS transistörleri arasındaki bu koordinasyon, invertörün giriş voltajı v ariat iyonlarına rağmen kararlı çıkışı korumasını sağlar.Bir transistörün diğeri açıkken her zaman kapalı olduğundan emin olarak, CMOS inverter gücü korur ve güç kaynağından yere doğrudan elektrik yolu önler.Gereksiz güç tahliyesini önlemeye yardımcı olacaktır.Bu çift transistör kurulumu, CMOS invertörünün dijital devredeki birincil rolünü tanımlar ve minimum enerji tüketimi ve yüksek sinyal bütünlüğü ile güvenilir mantık tersine çevirme sağlar.

Şekil 3: CMOS mantık kapıları

NMOS invertör

NMOS inverter, basit ve verimli bir kurulum kullanılarak oluşturulmuştur.Bu konfigürasyonda, kapı giriş olarak hizmet eder, drenaj çıkış olarak işlev görür ve hem kaynak hem de substrat topraklanır.Bu düzenlemenin çekirdeği geliştirme tipi bir N-kanallı mosfettir.Doğru önyargıyı oluşturmak için bir yük direnci yoluyla tahliyeye pozitif bir voltaj uygulanır.

Kapı girişi topraklandığında, '0' mantığını temsil eder, kapıda hiçbir voltaj yoktur.Bu voltaj eksikliği, iletken bir kanalın MOSFET'te oluşmasını önler, bu da onu yüksek dirençli bir açık devre haline getirir.Sonuç olarak, tahliyeden kaynağa minimum akım akar ve çıkış voltajının +V'ye yakın yükselmesine neden olur, bu da '1' mantığına karşılık gelir.Kapıya pozitif bir voltaj uygulandığında, elektronları kapı oksit arayüzüne çekerek N tipi bir kanal oluşturur.Bu kanal, kaynak ve drenaj arasındaki direnci azaltır, akımın çıkış voltajını neredeyse zemin seviyesine veya '0' mantığına akmasına ve düşürmesine izin verir.

Bu işlem, NMOS invertörünü ikili anahtarlama görevleri için kullanışlı etkili bir aşağı çekme cihazı olarak gösterir.Bu kurulumun 'açık' durumdayken daha fazla güç tüketme eğiliminde olduğunu kabul etmek yararlıdır.Artan güç tüketimi, transistör aktif olduğunda güç kaynağından yere akan sürekli akımdan kaynaklanır ve NMOS invertör tasarımında önemli bir operasyonel değiş tokuş vurgular.

PMOS invertör

Şekil 4: CMOS ICS temelleri

PMOS invertör, NMOS invertörüne benzer şekilde yapılandırılmıştır, ancak ters elektrik bağlantıları ile yapılandırılır.Bu kurulumda, hem substrat hem de kaynağa uygulanan pozitif bir voltaj ile bir PMOS transistörü kullanılırken, yük direnci toprağa bağlanır.

Giriş voltajı +V'de yüksek olduğunda (mantık '1'), geçitten kaynak voltajı sıfır olur ve transistörü 'kapatır'.Bu, kaynak ve tahliye arasında yüksek bir direnç yolu oluşturur ve çıkış voltajını '0' mantığında düşük tutar.

Giriş 0 volt (mantık '0') olduğunda, kapıdan kaynak voltajı kaynağa göre negatif hale gelir.Bu negatif voltaj, yarı iletken yüzeyini N tipinden P-tipine ters çevirerek ve iletken bir kanal oluşturarak kapı kapasitörünü şarj eder.Bu kanal, kaynak ve drenaj arasındaki direnci büyük ölçüde düşürür ve akımın kaynaktan drenaja serbestçe akmasına izin verir.Sonuç olarak, çıkış voltajı, '1' mantığına karşılık gelen besleme voltajı +V'ye yakın yükselir.

Bu şekilde, PMOS transistörü, etkinleştirildiğinde pozitif besleme voltajına düşük bir direnç yolu sağlayan bir çekme cihazı görevi görür.Bu, PMOS invertörünü kararlı ve güvenilir mantık inversiyonu oluşturmada birincil bir bileşen yapar.Çıktının gerektiğinde yüksek duruma güçlü bir şekilde sürülmesini sağlar.

CMOS'un kesiti

Şekil 5: CMOS kapısının kesiti

Bir CMOS çipi, NMOS ve PMOS transistörlerini tek bir silikon substrat üzerinde birleştirerek kompakt ve verimli bir inverter devresi oluşturur.Bu kurulumun bir kesitinin görüntülenmesi, bu transistörlerin stratejik yerleştirilmesini, işlevselliği optimize etmeyi ve elektrik parazitini azaltmayı gösterir.

PMOS transistörü, N-tipi substrata gömülürken, NMOS transistörü P-Well adlı ayrı bir P tipi alana yerleştirilir.Bu düzenleme, her transistörün optimal koşullar altında çalışmasını sağlar.P-kuyu, NMOS transistörü için operasyonel zemin görevi görür ve NMOS ve PMOS transistörlerinin elektrik yollarını izole ederek paraziti önler.Bu izolasyon, sinyal bütünlüğünü ve genel CMOS devre performansını korumak için yararlıdır.

Bu yapılandırma, çipin yüksek ve düşük mantık durumları arasında hızlı ve güvenilir bir şekilde geçiş yapmasını sağlar.Her iki transistörü de bir birime entegre ederek, CMOS tasarımı elektriksel özelliklerini dengeler ve daha kararlı ve verimli devre işlemlerine yol açar.Bu entegrasyon, CMOS teknolojisinin arkasındaki ileri mühendisliği sergileyen modern elektronik cihazların performansını azaltır ve performansını artırır.

Bir CMOS invertörünün güç dağılması

CMOS teknolojisinin temel bir özelliği, özellikle statik veya boş durumlarda güç dağılmasındaki verimliliğidir.Etkin olmadığında, bir CMOS inverter çok az güç çeker, çünkü "kapalı" transistör sadece minimum bir akım sızdırır.Bu etkinlik, enerji atıklarının korunması ve taşınabilir cihazların pil ömrünü uzatmaya yardımcı olur.

Şekil 6: Endüstriyel kameralar için CMOS sensörleri

Dinamik çalışma sırasında, inverter anahtarlar durumlarda, güç dağılımı geçici olarak artar.Bu artış, kısa bir süre için hem NMOS hem de PMOS transistörlerinin kısmen açık olması, besleme voltajından yere akım akışı için kısa ömürlü bir doğrudan yol oluşturması nedeniyle oluşur.Bu geçici artışa rağmen, bir CMOS invertörünün toplam ortalama güç tüketimi, transistör-transistör mantığı (TTL) gibi eski teknolojilerinkinden çok daha düşüktür.

Farklı operasyonel modlarda bu sürekli düşük güç kullanımı, CMOS devrelerinin enerji verimliliğini arttırır.Mobil cihazlar ve diğer pille çalışan teknolojiler gibi güç kullanılabilirliğinin sınırlı olduğu uygulamalar için idealdir.

CMOS invertörlerinin düşük kararlı durum gücü çekimi, cihaz bileşenleri üzerinde termal stresi azaltan daha az ısı üretir.Bu azaltılmış ısı üretimi, elektronik cihazların ömrünü uzatabilir, bu da CMOS teknolojisini daha sürdürülebilir ve uygun maliyetli elektronik sistemlerin tasarlanmasında önemli bir faktör haline getirir.

CMOS invertörünün DC voltaj transferi özelliği

Şekil 7: Güç ve hız verimliliği için devreleri optimize edin

Bir CMOS invertörünün DC voltaj transfer özelliği (VTC), davranışını anlamak için birincil bir araçtır.Statik (anahtarlama dışı) koşullarda giriş ve çıkış voltajları arasındaki ilişkiyi gösterir ve invertörün farklı giriş seviyelerinde performansının net bir görünümünü sağlar.

NMOS ve PMOS transistörlerinin dengeli olduğu iyi tasarlanmış bir CMOS invertöründe, VTC neredeyse idealdir.Simetriktir ve belirli bir giriş voltajı eşiğinde yüksek ve düşük çıkış voltajları arasında keskin bir geçişe sahiptir.Bu eşik, invertörün bir mantık durumundan diğerine geçtiği ve hızla '1' 'den' 0 'ya da tam tersi değiştiği noktadır.

VTC'nin hassasiyeti, dijital devrelerin operasyonel voltaj aralıklarını belirlemede yararlıdır.Çıktının durumları değiştireceği kesin noktaları tanımlar, mantık sinyallerinin net ve tutarlı olmasını sağlar ve voltaj V ariat iyonlarına bağlı hata riskini azaltır.

CMOS teknolojisinin avantajları

CMOS teknolojisi düşük statik güç tüketimi sunar.Sadece mantık durumu işlemleri sırasında enerji kullandığı için, özellikle pille çalışan cihazlarda elektronik uygulamalar için daha kullanışlı hale getirir.

CMOS devrelerinin tasarımı, karmaşıklığı doğal olarak basitleştirir ve tek bir çip üzerinde mantık fonksiyonlarının kompakt, yüksek yoğunluklu bir düzenlemesine izin verir.Bu özellik, mikroişlemcileri ve bellek yongalarını geliştirmek, silikonun fiziksel boyutunu genişletmeden operasyonel özellikleri geliştirmek için gereklidir.Bu yoğunluk avantajı, birim alan başına daha fazla işleme gücü sağlar ve teknoloji minyatürleştirme ve sistem entegrasyonundaki gelişmeleri kolaylaştırır.

CMOS Technology’nin yüksek gürültü bağışıklığı, elektronik gürültüye eğilimli ortamlarda CMOS tabanlı sistemlerin istikrarlı ve güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlayarak paraziti azaltır.Düşük güç tüketimi, azalmış karmaşıklık ve sağlam gürültü bağışıklığı kombinasyonu, CMO'ları elektronikte temel bir teknoloji olarak sağlamlaştırır.Basit devrelerden karmaşık dijital bilgi işlem mimarilerine kadar çok çeşitli uygulamaları destekler.

Şekil 8: CMOS teknoloji diyagramı

CMOS teknolojisinin bir özeti

CMOS teknolojisi, tek bir çip üzerinde hem NMOS hem de PMOS transistörlerini kullanan modern dijital devre tasarımının temel taşıdır.Bu çift transistör yaklaşımı, tamamlayıcı anahtarlama yoluyla verimliliği artırır ve günümüzün enerji bilincine sahip dünyada faydalı olan güç tüketimini azaltır.

CMOS devrelerinin gücü, düşük güç gereksinimlerinden ve mükemmel gürültü bağışıklıklarından gelir.Bu özellikler güvenilir ve karmaşık bir dijital entegre devre oluşturmak için yararlıdır.CMOS teknolojisi, elektronik sistemlerin istikrarını ve performansını artırarak elektrik parazitine etkili bir şekilde direnmektedir.

CMOS'un düşük statik güç tüketimi ve güvenilir çalışma, birçok uygulama için tercih edilen seçim haline getirir.Tüketici elektroniğinden üst düzey bilgi işlem sistemlerine kadar, CMOS Technology'nin uyarlanabilirliği ve verimliliği elektronik endüstrisinde yeniliği artırmaya devam ediyor.Yaygın kullanımı, dijital teknolojinin ilerlemesinde önemini vurgulamaktadır.

Çözüm

CMOS teknolojisi, dijital devre tasarımı alanında bir inovasyon paragonu olarak duruyor ve elektroniklerin temel aletlerden karmaşık hesaplama sistemlerine kadar ilerlemesini sürekli olarak yönlendiriyor.Tek bir çip üzerinde NMO'lar ve PMO'ların çift transistör kurulumu, verimli anahtarlama, minimum güç dağılımı ve yüksek derecede gürültü bağışıklığı için izin vererek, CMO'ları yoğun, entegre devrelerin oluşturulmasında yararlı hale getirir.Portatif, pille çalışan cihazlar döneminde performansdan ödün vermeden güç tüketiminin azaltılması kanıtlanmıştır.CMOS teknolojisinin çeşitli operasyonel ve çevresel koşulları ele almada sağlamlığı, uygulamalarını çok sayıda alanda genişletmiştir.Gelişmeye devam ettikçe, CMOS teknolojisi gelecekteki elektronik tasarım manzarasını şekillendirmeye yardımcı olabilir.T teknolojik yeniliğin ön saflarında kalmasını sağlar ve elektronik cihazlarda enerji verimliliği ve minyatürleştirme taleplerini karşılamaya devam eder.

Sık Sorulan Sorular (SSS]

1. CMO'lar dijital elektroniklerde nasıl çalışır?

Tamamlayıcı metal-oksit-sememüktör (CMOS) teknolojisi, öncelikle cihazlardaki elektrik akışını etkili bir şekilde kontrol ettiği için dijital elektroniklerde temeldir.Uygulamada, bir CMOS devresi iki tür transistör içerir: NMO'lar ve PMOS.Bunlar, transistörlerden sadece birinin bir seferde yürütülmesini sağlamak için düzenlenmiştir, bu da devre tarafından tüketilen enerjiyi büyük ölçüde azaltır.

Bir CMOS devresi çalıştığında, bir transistör akımı bloke ederken, diğeri geçmesine izin verir.Örneğin, bir CMOS invertörüne '1' (yüksek voltaj) dijital sinyali girilirse, NMOS transistörü açılır (davranışlar) ve PMOS kapanır (akım blokları) düşük voltaj veya '0' ile sonuçlanır.Çıktıda.Tersine, '0' girişi PMO'ları aktive eder ve NMO'ları devre dışı bırakır, bu da yüksek bir çıktı ile sonuçlanır.Bu anahtarlama, minimum gücün boşa harcanmasını sağlar, bu da CMO'ları akü verimliliğinin gerekli olduğu akıllı telefonlar ve bilgisayarlar gibi cihazlar için ideal hale getirir.

2. MOSFET ve CMOS arasındaki fark nedir?

MOSFET (metal-oksit-iletken alan-etki transistör), elektronik sinyallerin anahtarlanması için kullanılan bir transistör türüdür.CMO'lar ise dijital mantık devreleri oluşturmak için iki tamamlayıcı MOSFET (NMO'lar ve PMO'lar) kullanan bir teknolojiyi ifade eder.

Birincil ayrım uygulamaları ve verimliliklerinde yatmaktadır.Tek bir MOSFET, sürekli bir güç akışı gerektiren ve potansiyel olarak daha fazla ısı üreten bir anahtar veya güçlendirme sinyalleri olarak işlev görebilir.CMO'lar, hem NMO'lar hem de PMOS transistörlerini entegre ederek, birini veya diğerini kullanma, gerekli gücü azaltma ve üretilen ısıyı azaltır.Bu, CMO'ları yüksek verimlilik ve kompaktlık gerektiren modern elektronik cihazlar için daha uygun hale getirir.

3. CMO'ları temizlerseniz ne olur?

Bilgisayardaki CMOS'ların temizlenmesi BIOS (Basic Giriş/Çıkış Sistemi) ayarlarını fabrika varsayılanlarına sıfırlar.Bu genellikle yanlış veya bozuk BIOS ayarları nedeniyle ortaya çıkabilecek donanım veya önyükleme sorunlarını gidermek için yapılır.

CMO'ları temizlemek için, genellikle bir jumper kullanarak anakarttaki belirli bir çift pimi kısaltırsınız veya CMOS pilini birkaç dakika kaldırırsınız.Bu eylem, önyükleme sırası, sistem süresi ve donanım ayarları gibi yapılandırmaları silerek BIOS'daki değişken belleği temizler.CMO'ları temizledikten sonra, BIOS ayarlarını bilgi işlem ihtiyaçlarınıza veya donanım uyumluluğunuza göre yeniden yapılandırmanız gerekebilir.

4. CMO'ların yerini alacak?

CMOS teknolojisi hala yaygın olsa da, devam eden araştırma, teknoloji daha da azaldıkça potansiyel olarak daha fazla verimlilik, hız ve entegrasyon sunabilecek alternatifler geliştirmeyi amaçlamaktadır.

Grafen transistörleri, daha hızlı işlem hızlarına yol açabilecek silikondan daha yüksek elektron hareketliliği gibi olağanüstü elektriksel özellikleri için araştırılmaktadır.

Aynı anda birden fazla eyalette var olabilen kuantum bitleri kullanır ve belirli hesaplamalar için üstel hız artışları sağlar.

Spintronics: Verileri kodlamak, güç tüketimini potansiyel olarak azaltmak ve veri işleme özelliklerini artırmak için şarjlarından ziyade elektronların dönüşünü kullanır.

Bu teknolojiler umut verici olsa da, CMO'lardan dijital elektroniklerde yeni bir standarda geçiş, teknik zorlukların ve yeni üretim teknolojilerine önemli yatırımların üstesinden gelmeyi gerektirecektir.Şu an itibariyle CMOS, güvenilirliği ve maliyet etkinliği nedeniyle dijital devre tasarımında en pratik ve yaygın olarak kullanılan teknoloji olmaya devam etmektedir.