Pengantar Teknologi CMOS
2024-07-09 6630

Evolusi elektronik digital telah dibentuk oleh pengembangan teknologi pelengkap logam-oksida-semikonduktor (CMOS).Muncul dalam menanggapi kebutuhan akan kecepatan pemrosesan yang lebih cepat dan konsumsi daya yang lebih efisien, teknologi CMOS telah merevolusi desain sirkuit dengan pendekatan inovatifnya untuk mengelola daya dan integritas sinyal.Berbeda dengan perangkat Bipolar Junction Transistor (BJT), yang tergantung pada aliran arus, perangkat CMOS menggunakan mekanisme yang dikendalikan tegangan yang secara signifikan mengurangi arus gerbang, sehingga meminimalkan kehilangan daya.Teknologi ini pertama kali mendapatkan traksi dalam elektronik konsumen pada tahun 1970-an, seperti pada jam tangan elektronik, tetapi itu adalah munculnya integrasi skala yang sangat besar (VLSI) pada 1980-an yang benar-benar memperkuat posisi CMOS sebagai landasan dalam elektronik modern.ERA menyaksikan keandalan sirkuit Peningkatan Teknologi CMOS, resistensi kebisingan, dan kinerja di berbagai suhu dan tegangan sambil menyederhanakan proses desain secara keseluruhan.Peningkatan ini tidak hanya meningkatkan jumlah transistor dari ribuan menjadi jutaan pada satu chip tetapi juga memperluas fungsionalitas CMO ke desain VLSI digital dan mixed-sinyal, mengungguli teknologi yang lebih lama seperti transistor-transistor logic (TTL) karena kecepatan yang unggul dan lebih unggul dan lebih unggul dan lebih unggul dan transistor-transistor (TTL) karena lebih unggul dan superior dan superior dan transistor-nya dan lebih tinggi dan transistor-transistor karena unggul dan superior dan transistor-nya unggul dan superior dan transistor-nya unggul dan superior dan transistor-nya unggul dan superior dan superior dan transistor-nyaOperasi tegangan yang lebih rendah.

Katalog

Pemahaman tentang teknologi CMOS

Pengembangan teknologi pelengkap logam-oksida-semikonduktor (CMOS) telah menjadi bagian besar dalam memajukan desain sirkuit digital.Ini muncul terutama karena kebutuhan untuk pemrosesan yang lebih cepat dan konsumsi energi yang lebih rendah.Tidak seperti perangkat Bipolar Junction Transistor (BJT), yang bergantung pada aliran arus, CMOS menggunakan mekanisme yang dikendalikan tegangan.Perbedaan utama membantu mengurangi arus di gerbang, mengurangi kehilangan daya secara signifikan.Pada tahun 1970 -an, CMOS terutama digunakan dalam elektronik konsumen, seperti jam tangan elektronik.

Lansekap berubah pada 1980-an dengan munculnya teknologi integrasi skala yang sangat besar (VLSI), yang sangat mengadopsi CMO karena beberapa alasan.CMOS menggunakan lebih sedikit daya, menawarkan ketahanan kebisingan yang lebih baik, dan berkinerja baik di berbagai suhu dan tegangan.Ini juga menyederhanakan desain sirkuit yang meningkatkan keandalan dan fleksibilitas.Fitur-fitur ini memungkinkan peningkatan besar dalam kepadatan integrasi chip berbasis CMOS, bergerak dari ribuan menjadi jutaan transistor per chip.

Saat ini, CMOS berguna untuk desain VLSI digital dan mixed-sinyal, mengungguli teknologi lama seperti Transistor-Transistor Logic (TTL) karena kecepatan dan efisiensi yang unggul pada tegangan yang lebih rendah.Penggunaannya yang tersebar luas menyoroti dampak transformatif CMOS pada elektronik modern, menjadikannya teknologi masuk untuk semuanya mulai dari gadget sehari-hari hingga sistem komputasi canggih.

Gambar 1: Gunakan untuk menyeimbangkan karakteristik listrik

Prinsip Kerja CMOS

Prinsip inti teknologi pelengkap logam-oksida-semikonduktor (CMOS) menggunakan sepasang transistor tipe-N dan tipe-P untuk membuat sirkuit logika yang efisien.Sinyal input tunggal mengontrol perilaku switching dari transistor ini, menyalakan satu saat mematikan yang lain.Desain ini menghilangkan kebutuhan akan resistor pull-up tradisional yang digunakan dalam teknologi semikonduktor lainnya, menyederhanakan desain dan meningkatkan efisiensi energi.

Dalam pengaturan CMOS, MOSFET tipe-N (transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor) membentuk jaringan pull-down yang menghubungkan output gerbang logika ke pasokan tegangan rendah, biasanya ground (VSS).Ini menggantikan resistor beban di sirkuit logika NMOS yang lebih lama, yang kurang efektif dalam mengelola transisi tegangan dan lebih rentan terhadap kehilangan daya.Sebaliknya, MOSFET tipe-P membuat jaringan pull-up yang menghubungkan output ke pasokan tegangan yang lebih tinggi (VDD).Pengaturan jaringan ganda ini memastikan bahwa output dikontrol secara stabil dan dapat diprediksi untuk setiap input yang diberikan.

Ketika gerbang MOSFET tipe-P diaktifkan, ia dinyalakan sementara MOSFET tipe-N yang sesuai dimatikan, dan sebaliknya.Interaksi ini tidak hanya menyederhanakan arsitektur sirkuit tetapi juga meningkatkan keandalan operasional dan fungsionalitas perangkat.Teknologi CMOS bermanfaat bagi pengguna yang membutuhkan sistem elektronik yang dapat diandalkan dan efisien.

Gambar 2: Pengantar CMOS Tech

Inverter

Inverter adalah elemen utama dalam desain sirkuit digital, terutama untuk operasi aritmatika dan logis biner.Fungsi utama adalah untuk membalikkan sinyal input dalam level logika biner.Secara sederhana, '0' dianggap rendah atau nol volt, dan '1' adalah volt tinggi atau V.Ketika inverter menerima input 0 volt, itu mengeluarkan v volt, dan ketika menerima v volt, itu menghasilkan 0 volt.

Tabel kebenaran biasanya menunjukkan fungsi inverter dengan mendaftarkan semua input yang mungkin dan output yang sesuai.Tabel ini dengan jelas menunjukkan bahwa input '0' menghasilkan output '1', dan input '1' menghasilkan output '0'.Proses inversi ini diperlukan untuk keputusan logis dan pemrosesan data dalam komputasi dan sistem digital.

Operasi inverter diperlukan untuk interaksi digital yang lebih kompleks.Ini memungkinkan lancar pelaksanaan tugas komputasi tingkat lebih tinggi dan membantu mengelola aliran data dalam sirkuit secara efektif.

Tabel 1: Tabel Kebenaran Inverter

Inverter CMOS

Inverter CMOS adalah model efisiensi dalam elektronik, menampilkan desain sederhana dengan transistor NMOS dan PMOS yang terhubung secara seri.Gerbang mereka diikat bersama sebagai input, dan saluran airnya terhubung untuk membentuk output.Pengaturan ini mengurangi disipasi daya, mengoptimalkan sirkuit untuk efisiensi energi.

Ketika sinyal input tinggi (logika '1'), transistor NMOS menyala, melakukan arus dan menarik output ke keadaan rendah (logika '0').Pada saat yang sama, transistor PMOS mati, mengisolasi pasokan positif dari output.Sebaliknya, ketika input rendah (logika '0'), transistor NMOS mati, dan transistor PMOS menyala, mendorong output ke keadaan tinggi (logika '1').

Koordinasi antara transistor NMOS dan PMOS ini memungkinkan inverter untuk mempertahankan output yang stabil meskipun voltase input v ariat ion.Dengan memastikan bahwa satu transistor selalu mati saat yang lain menyala, inverter CMOS menghemat daya dan mencegah jalur listrik langsung dari catu daya ke tanah.Ini akan membantu mencegah pembuangan daya yang tidak perlu.Pengaturan dual-transistor ini mendefinisikan peran utama CMOS Inverter dalam sirkuit digital, memberikan inversi logika yang andal dengan konsumsi energi minimal dan integritas sinyal yang tinggi.

Gambar 3: Gerbang Logika CMOS

Inverter NMO

Inverter NMOS dibangun menggunakan pengaturan langsung dan efisien.Dalam konfigurasi ini, gerbang berfungsi sebagai input, drain berfungsi sebagai output, dan baik sumber dan substrat didasarkan.Inti dari pengaturan ini adalah MOSFET N-channel tipe peningkatan.Tegangan positif diterapkan pada saluran pembuangan melalui resistor beban untuk menetapkan biasing yang tepat.

Ketika input gerbang dibumikan, mewakili logika '0', tidak ada tegangan di gerbang.Kurangnya tegangan ini mencegah saluran konduktif terbentuk di MOSFET, menjadikannya sirkuit terbuka dengan resistansi tinggi.Akibatnya, arus minimal mengalir dari saluran pembuangan ke sumber, menyebabkan tegangan output naik mendekati +V, yang sesuai dengan logika '1'.Ketika tegangan positif diterapkan ke gerbang, ia menarik elektron ke antarmuka gerbang oksida, membentuk saluran tipe-n.Saluran ini mengurangi resistansi antara sumber dan saluran pembuangan, memungkinkan arus mengalir dan menjatuhkan tegangan output ke permukaan yang hampir ground, atau logika '0'.

Operasi ini menunjukkan inverter NMOS sebagai perangkat pull-down yang efektif, berguna untuk tugas switching biner.Sangat membantu untuk mengenali bahwa pengaturan ini cenderung mengkonsumsi lebih banyak kekuatan ketika dalam keadaan 'on'.Peningkatan konsumsi daya muncul dari arus kontinu yang mengalir dari catu daya ke tanah ketika transistor aktif, menyoroti pertukaran operasional utama dalam desain inverter NMOS.

Inverter PMOS

Gambar 4: Dasar CMOS ICS

Inverter PMOS disusun mirip dengan inverter NMOS tetapi dengan koneksi listrik terbalik.Dalam pengaturan ini, transistor PMOS digunakan dengan tegangan positif yang diterapkan pada substrat dan sumber, sedangkan resistor beban terhubung ke tanah.

Ketika tegangan input tinggi pada +V (logika '1'), tegangan gerbang-ke-sumber menjadi nol, mematikan transistor 'dari'.Ini menciptakan jalur resistansi yang tinggi antara sumber dan saluran pembuangan, menjaga tegangan output rendah pada logika '0'.

Ketika input pada 0 volt (logika '0'), tegangan gerbang-ke-sumber menjadi relatif negatif terhadap sumber.Tegangan negatif ini mengisi kapasitor gerbang, membalik permukaan semikonduktor dari tipe-n ke tipe-p, dan membentuk saluran konduktif.Saluran ini secara drastis menurunkan resistansi antara sumber dan tiriskan, memungkinkan arus mengalir dengan bebas dari sumber ke saluran pembuangan.Akibatnya, tegangan output naik dekat dengan tegangan suplai +V, sesuai dengan logika '1'.

Dengan cara ini, transistor PMOS bertindak sebagai perangkat pull-up, yang memberikan jalur resistansi rendah ke tegangan pasokan positif saat diaktifkan.Ini menjadikan PMOS inverter komponen utama dalam membuat inversi logika yang stabil dan andal.Ini memastikan bahwa output sangat didorong ke keadaan tinggi bila diperlukan.

Bagian melintang CMOS

Gambar 5: Penampang Gerbang CMOS

Chip CMOS menggabungkan transistor NMOS dan PMOS pada substrat silikon tunggal, membentuk sirkuit inverter yang kompak dan efisien.Melihat penampang pengaturan ini menunjukkan penempatan strategis dari transistor ini, mengoptimalkan fungsionalitas dan mengurangi gangguan listrik.

Transistor PMOS tertanam dalam substrat tipe-N, sedangkan transistor NMOS ditempatkan di area tipe-p terpisah yang disebut p-well.Pengaturan ini memastikan bahwa setiap transistor beroperasi dalam kondisi optimal.P-Well bertindak sebagai landasan operasional untuk transistor NMOS dan mengisolasi jalur listrik transistor NMOS dan PMOS, mencegah gangguan.Isolasi ini sangat membantu untuk mempertahankan integritas sinyal dan kinerja sirkuit CMOS secara keseluruhan.

Konfigurasi ini memungkinkan chip untuk beralih antara status logika tinggi dan rendah dengan cepat dan andal.Dengan mengintegrasikan kedua jenis transistor dalam satu unit, desain CMOS menyeimbangkan karakteristik listrik mereka, yang mengarah ke operasi sirkuit yang lebih stabil dan efisien.Integrasi ini mengurangi ukuran dan meningkatkan kinerja perangkat elektronik modern, menampilkan rekayasa canggih di balik teknologi CMOS.

Disipasi kekuatan inverter CMOS

Fitur utama dari teknologi CMOS adalah efisiensinya dalam disipasi daya, terutama di statistik statis atau idle.Saat tidak aktif, inverter CMOS menarik kekuatan yang sangat sedikit karena transistor "off" hanya membocorkan arus minimal.Efektivitas ini bermanfaat untuk mempertahankan limbah energi dan memperpanjang masa pakai baterai perangkat portabel.

Gambar 6: Sensor CMOS- untuk kamera industri

Selama operasi dinamis, ketika inverter beralih menyatakan, disipasi daya untuk sementara meningkat.Lonjakan ini terjadi karena, untuk sesaat, baik transistor NMO dan PMOS sebagian aktif, menciptakan jalur langsung berumur pendek untuk aliran arus dari tegangan suplai ke tanah.Terlepas dari peningkatan sementara ini, konsumsi daya rata-rata keseluruhan inverter CMOS tetap jauh lebih rendah daripada teknologi yang lebih tua seperti Transistor-Transistor Logic (TTL).

Penggunaan daya rendah yang berkelanjutan ini di berbagai mode operasional meningkatkan efisiensi energi sirkuit CMOS.Membuatnya ideal untuk aplikasi di mana ketersediaan daya terbatas, seperti perangkat seluler dan teknologi bertenaga baterai lainnya.

Penarikan daya steady-state rendah dari inverter CMOS menghasilkan lebih sedikit panas yang mengurangi tegangan termal pada komponen perangkat.Generasi panas yang berkurang ini dapat memperpanjang umur perangkat elektronik, menjadikan teknologi CMOS menjadi faktor kunci dalam merancang sistem elektronik yang lebih berkelanjutan dan hemat biaya.

Karakteristik transfer tegangan DC dari inverter CMOS

Gambar 7: Mengoptimalkan sirkuit untuk efisiensi daya dan kecepatan

Karakteristik transfer tegangan DC (VTC) dari inverter CMOS adalah alat utama untuk memahami perilakunya.Ini menunjukkan hubungan antara voltase input dan output dalam kondisi statis (non-switching), memberikan tampilan yang jelas tentang kinerja inverter di level input yang berbeda.

Dalam inverter CMOS yang dirancang dengan baik, di mana transistor NMO dan PMOS seimbang, VTC hampir ideal.Ini simetris dan memiliki transisi tajam antara tegangan output tinggi dan rendah pada ambang tegangan input tertentu.Ambang ini adalah titik di mana inverter beralih dari satu keadaan logika ke yang lain, dengan cepat berubah dari logika '1' menjadi '0' dan sebaliknya.

Ketepatan VTC sangat membantu untuk menentukan rentang tegangan operasional sirkuit digital.Ini mengidentifikasi titik -titik yang tepat di mana output akan mengubah status, memastikan bahwa sinyal logika jelas dan konsisten, dan mengurangi risiko kesalahan karena tegangan v ariat ion.

Keuntungan dari Teknologi CMOS

Teknologi CMOS menawarkan konsumsi daya statis yang rendah.Membuatnya lebih berguna untuk aplikasi elektronik, terutama di perangkat bertenaga baterai, karena menggunakan energi hanya selama transaksi keadaan logika.

Desain sirkuit CMOS secara inheren menyederhanakan kompleksitas, memungkinkan susunan fungsi logika yang ringkas dan padat pada satu chip.Fitur ini diperlukan untuk meningkatkan mikroprosesor dan chip memori, meningkatkan kemampuan operasional tanpa memperluas ukuran fisik silikon.Keuntungan kepadatan ini memungkinkan lebih banyak daya pemrosesan per satuan area, memfasilitasi kemajuan dalam miniaturisasi teknologi dan integrasi sistem.

Kekebalan kebisingan tinggi CMOS Technology mengurangi gangguan, memastikan operasi yang stabil dan andal dari sistem berbasis CMOS di lingkungan rawan noise elektronik.Kombinasi konsumsi daya rendah, berkurangnya kompleksitas, dan kekebalan kebisingan yang kuat memperkuat CMO sebagai teknologi dasar dalam elektronik.Ini mendukung berbagai aplikasi, dari sirkuit sederhana hingga arsitektur komputasi digital yang kompleks.

Gambar 8: Diagram Teknologi CMOS

Rekap teknologi CMOS

Teknologi CMOS adalah landasan desain sirkuit digital modern, menggunakan transistor NMOS dan PMOS pada satu chip.Pendekatan transistor ganda ini meningkatkan efisiensi melalui pengalihan komplementer dan mengurangi konsumsi daya, yang bermanfaat di dunia yang sadar energi saat ini.

Kekuatan sirkuit CMOS berasal dari kebutuhan daya rendah dan kekebalan kebisingan yang sangat baik.Ciri -ciri ini berguna untuk membuat sirkuit terintegrasi digital yang andal dan kompleks.Teknologi CMOS secara efektif menolak gangguan listrik, meningkatkan stabilitas dan kinerja sistem elektronik.

Konsumsi daya statis rendah CMOS dan operasi yang andal menjadikannya pilihan yang disukai untuk banyak aplikasi.Dari elektronik konsumen hingga sistem komputasi kelas atas, kemampuan beradaptasi dan efisiensi CMOS Technology terus mendorong inovasi dalam industri elektronik.Penggunaannya yang meluas menyoroti pentingnya dalam memajukan teknologi digital.

Kesimpulan

Teknologi CMOS berdiri sebagai paragon inovasi di bidang desain sirkuit digital, terus mendorong kemajuan elektronik dari gadget dasar ke sistem komputasi yang kompleks.Pengaturan dual-transistor dari NMO dan PMO pada satu chip yang diizinkan untuk switching yang efisien, disipasi daya minimal, dan tingkat kekebalan kebisingan yang tinggi, membuat CMO berguna dalam penciptaan sirkuit yang padat dan terintegrasi.Mengurangi konsumsi daya tanpa mengorbankan kinerja telah terbukti di era perangkat portabel dan bertenaga baterai.Ketahanan teknologi CMOS dalam menangani berbagai kondisi operasional dan lingkungan telah memperluas penerapannya di berbagai domain.Saat terus berkembang, teknologi CMOS dapat membantu membentuk lanskap desain elektronik di masa depan.Ini memastikan T tetap berada di garis depan inovasi teknologi dan terus memenuhi meningkatnya tuntutan efisiensi energi dan miniaturisasi pada perangkat elektronik.

Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]

1. Bagaimana cara kerja CMO dalam elektronik digital?

Teknologi pelengkap logam-oksida-semikonduktor (CMOS) adalah dasar dalam elektronik digital, terutama karena secara efisien mengontrol aliran listrik di perangkat.Dalam praktiknya, sirkuit CMOS mencakup dua jenis transistor: NMO dan PMOS.Ini diatur untuk memastikan bahwa hanya satu dari transistor yang dilakukan pada satu waktu, yang secara drastis mengurangi energi yang dikonsumsi oleh sirkuit.

Ketika sirkuit CMOS beroperasi, satu transistor memblokir arus sementara yang lain membiarkannya lewat.Misalnya, jika sinyal digital '1' (tegangan tinggi) dimasukkan ke dalam inverter CMOS, transistor NMOS menyala (melakukan), dan PMOS mati (blok arus), menghasilkan tegangan rendah atau '0'di output.Sebaliknya, input '0' mengaktifkan PMO dan menonaktifkan NMO, menghasilkan output tinggi.Pergantian ini memastikan daya minimal terbuang sia -sia, membuat CMOS ideal untuk perangkat seperti smartphone dan komputer di mana efisiensi baterai diperlukan.

2. Apa perbedaan antara MOSFET dan CMO?

MOSFET (transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor) adalah jenis transistor yang digunakan untuk beralih sinyal elektronik.CMO, di sisi lain, mengacu pada teknologi yang memanfaatkan dua jenis MOSFET yang saling melengkapi (NMO dan PMO) untuk membuat sirkuit logika digital.

Perbedaan utama terletak pada aplikasi dan efisiensinya.MOSFET tunggal dapat berfungsi sebagai sakelar atau menguatkan sinyal, membutuhkan aliran daya kontinu dan berpotensi menghasilkan lebih banyak panas.CMO, dengan mengintegrasikan transistor NMO dan PMOS, bergantian antara menggunakan satu atau yang lain, mengurangi daya yang dibutuhkan dan panas dihasilkan.Ini membuat CMO lebih cocok untuk perangkat elektronik modern yang membutuhkan efisiensi dan kekompakan tinggi.

3. Apa yang terjadi jika Anda menghapus CMO?

Membersihkan CMO pada komputer mengatur ulang pengaturan BIOS (Sistem Input/Output Dasar) ke default pabrik mereka.Ini sering dilakukan untuk memecahkan masalah perangkat keras atau masalah boot yang mungkin timbul karena pengaturan BIOS yang salah atau rusak.

Untuk membersihkan CMO, Anda biasanya kekurangan sepasang pin tertentu di motherboard menggunakan jumper, atau melepas baterai CMOS selama beberapa menit.Tindakan ini menyiram memori yang mudah menguap di BIOS, menghapus konfigurasi apa pun seperti urutan boot, waktu sistem, dan pengaturan perangkat keras.Setelah membersihkan CMO, Anda mungkin perlu mengkonfigurasi ulang pengaturan BIOS sesuai dengan kebutuhan komputasi atau kompatibilitas perangkat keras Anda.

4. Apa yang akan menggantikan CMO?

Sementara teknologi CMOS masih lazim, penelitian yang sedang berlangsung bertujuan untuk mengembangkan alternatif yang berpotensi menawarkan efisiensi, kecepatan, dan integrasi yang lebih besar saat teknologi diturunkan lebih jauh.

Transistor graphene sedang dieksplorasi untuk sifat listriknya yang luar biasa, seperti mobilitas elektron yang lebih tinggi daripada silikon, yang dapat menyebabkan kecepatan pemrosesan yang lebih cepat.

Memanfaatkan bit kuantum yang dapat ada di banyak negara secara bersamaan, menawarkan peningkatan kecepatan eksponensial untuk perhitungan tertentu.

Spintronics: Menggunakan putaran elektron, bukannya muatannya, untuk menyandikan data, berpotensi mengurangi konsumsi daya dan meningkatkan kemampuan pemrosesan data.

Sementara teknologi ini menjanjikan, transisi dari CMO ke standar baru dalam elektronik digital akan membutuhkan mengatasi tantangan teknis dan investasi substansial dalam teknologi manufaktur baru.Sampai sekarang, CMOS tetap menjadi teknologi yang paling praktis dan banyak digunakan dalam desain sirkuit digital karena keandalan dan efektivitas biaya.