Qu'est-ce qu'un CMOS: principe de fonctionnement et ses applications

Le terme CMOS signifie «Complementary Metal Oxide Semiconductor». C'est l'une des technologies les plus populaires dans l'industrie de la conception de puces informatiques et elle est largement utilisée aujourd'hui pour former circuits intégrés dans des applications nombreuses et variées. Les mémoires d’ordinateurs, les processeurs et les téléphones portables d’aujourd’hui utilisent cette technologie en raison de plusieurs avantages clés. Cette technologie utilise à la fois des dispositifs semi-conducteurs à canal P et à canal N. L'une des technologies MOSFET les plus populaires disponibles aujourd'hui est la technologie complémentaire MOS ou CMOS. C'est la technologie semi-conductrice dominante pour les microprocesseurs, les puces de microcontrôleur, les mémoires comme la RAM, la ROM, EEPROM et circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC).

Introduction à la technologie MOS

Dans la conception des circuits intégrés, le composant de base et le plus essentiel est le transistor. Le MOSFET est donc un type de transistor utilisé dans de nombreuses applications. La formation de ce transistor peut se faire comme un sandwich en incluant une couche semi-conductrice, généralement une plaquette, une tranche d'un monocristal de silicium une couche de dioxyde de silicium & une couche métallique. Ces couches permettent aux transistors d'être formés à l'intérieur du matériau semi-conducteur. Un bon isolant comme Sio2 a une couche mince d'une centaine de molécules d'épaisseur.

Les transistors que nous utilisons en silicium polycristallin (poly) au lieu de métal pour leurs sections de grille. La porte en polysilicium du FET peut être remplacée presque en utilisant des portes métalliques dans les circuits intégrés à grande échelle. Parfois, les FET en polysilicium et en métal sont appelés IGFET, ce qui signifie FET à grille isolée, car le Sio2 sous la grille est un isolant.

CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire)

Le principal avantage du CMOS sur NMOS et la technologie BIPOLAR est la dissipation de puissance beaucoup plus petite. Contrairement aux circuits NMOS ou BIPOLAR, un circuit MOS complémentaire n'a pratiquement pas de dissipation de puissance statique. La puissance n'est dissipée que si le circuit commute réellement. Cela permet d'intégrer plus de portes CMOS sur un IC que dans NMOS ou technologie bipolaire , résultant en de bien meilleures performances. Le transistor semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire se compose de MOS à canal P (PMOS) et de MOS à canal N (NMOS). Veuillez vous référer au lien pour en savoir plus sur le processus de fabrication du transistor CMOS .

CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire)

NMOS

NMOS est construit sur un substrat de type p avec une source et un drain de type n diffusés dessus. Dans NMOS, la majorité des porteurs sont des électrons. Lorsqu'une haute tension est appliquée à la grille, le NMOS sera conducteur. De même, lorsqu'une basse tension est appliquée à la grille, NMOS ne conduira pas. Le NMOS est considéré comme plus rapide que le PMOS, car les porteurs du NMOS, qui sont des électrons, voyagent deux fois plus vite que les trous.

Transistor NMOS

PMOS

Le MOSFET à canal P se compose d'une source et d'un drain de type P diffusés sur un substrat de type N. La majorité des porteurs sont des trous. Lorsqu'une haute tension est appliquée à la grille, le PMOS ne conduira pas. Lorsqu'une basse tension est appliquée à la grille, le PMOS est conducteur. Les appareils PMOS sont plus insensibles au bruit que les appareils NMOS.

Transistor PMOS

Principe de fonctionnement CMOS

Dans la technologie CMOS, les transistors de type N et de type P sont utilisés pour concevoir des fonctions logiques. Le même signal qui active un transistor d'un type est utilisé pour désactiver un transistor de l'autre type. Cette caractéristique permet la conception de dispositifs logiques utilisant uniquement des commutateurs simples, sans avoir besoin d'une résistance de rappel vers le haut.

Dans CMOS des portes logiques un ensemble de MOSFET de type n est disposé dans un réseau déroulant entre la sortie et le rail d'alimentation basse tension (Vss ou bien souvent la masse). Au lieu de la résistance de charge des portes logiques NMOS, les portes logiques CMOS ont une collection de MOSFET de type p dans un réseau pull-up entre la sortie et le rail à plus haute tension (souvent appelé Vdd).

CMOS utilisant Pull Up & Pull Down

Ainsi, si à la fois un transistor de type p et de type n ont leurs grilles connectées à la même entrée, le MOSFET de type p sera ON lorsque le MOSFET de type n est OFF, et vice-versa. Les réseaux sont disposés de telle sorte que l'un est activé et l'autre désactivé pour n'importe quel modèle d'entrée, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Le CMOS offre une vitesse relativement élevée, une faible dissipation de puissance, des marges de bruit élevées dans les deux états et fonctionnera sur une large gamme de tensions de source et d'entrée (à condition que la tension de la source soit fixe). En outre, pour une meilleure compréhension du principe de fonctionnement du semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire, nous devons discuter brièvement des portes logiques CMOS comme expliqué ci-dessous.

Quels appareils utilisent CMOS?

La technologie comme CMOS est utilisée dans différentes puces comme les microcontrôleurs, les microprocesseurs, la SRAM (RAM statique) et d'autres circuits logiques numériques. Cette technologie est utilisée dans une large gamme de circuits analogiques qui comprend des convertisseurs de données, des capteurs d'image et des émetteurs-récepteurs hautement intégrés pour plusieurs types de communication.

Inverseur CMOS

Le circuit de l'onduleur comme illustré dans la figure ci-dessous. Cela consiste en PMOS et NMOS FET . L'entrée A sert de tension de grille pour les deux transistors.

Le transistor NMOS a une entrée de Vss (masse) et le transistor PMOS a une entrée de Vdd. La borne Y est sortie. Lorsqu'une haute tension (~ Vdd) est donnée à la borne d'entrée (A) de l'onduleur, le PMOS devient un circuit ouvert et le NMOS est désactivé de sorte que la sortie sera abaissée à Vss.

Inverseur CMOS

Lorsqu'une tension de bas niveau (

Porte CMOS NAND

La figure ci-dessous montre une porte MOS NAND complémentaire à 2 entrées. Il se compose de deux transistors NMOS en série entre Y et Terre et de deux transistors PMOS parallèles entre Y et VDD.

Si l'entrée A ou B est à 0 logique, au moins un des transistors NMOS sera OFF, interrompant le chemin de Y à la masse. Mais au moins un des transistors pMOS sera activé, créant un chemin de Y à VDD.

Porte NAND à deux entrées

Par conséquent, la sortie Y sera élevée. Si les deux entrées sont hautes, les deux transistors nMOS seront ON et les deux transistors pMOS seront OFF. Par conséquent, la sortie sera logique bas. La table de vérité de la porte logique NAND donnée dans le tableau ci-dessous.

Porte CMOS NOR

Une porte NOR à 2 entrées est illustrée dans la figure ci-dessous. Les transistors NMOS sont en parallèle pour tirer la sortie vers le bas lorsque l'une ou l'autre des entrées est au niveau haut. Les transistors PMOS sont en série pour tirer la sortie vers le haut lorsque les deux entrées sont au niveau bas, comme indiqué dans le tableau ci-dessous. La sortie n'est jamais laissée flottante.

Porte NOR à deux entrées

La table de vérité de la porte logique NOR donnée dans le tableau ci-dessous.

Fabrication CMOS

La fabrication des transistors CMOS peut se faire sur la plaquette de silicium. Le diamètre de la plaquette varie de 20 mm à 300 mm. En cela, le processus de lithographie est le même que celui de la presse à imprimer. A chaque étape, différents matériaux peuvent être déposés, gravés autrement modelés. Ce processus est très simple à comprendre en visualisant le dessus de la tranche ainsi que la section transversale dans une méthode d'assemblage simplifiée. La fabrication du CMOS peut être réalisée en utilisant trois technologies à savoir N-puits pt P-well, Twin well, un SOI (Silicon on Insulator). Veuillez vous référer à ce lien pour en savoir plus sur Fabrication CMOS .

Une vie de batterie CMOS

La durée de vie typique d'une batterie CMOS est d'environ 10 ans. Mais cela peut changer en fonction de l'utilisation et de l'environnement où que le PC réside.

Symptômes de panne de la batterie CMOS

Lorsque la batterie CMOS tombe en panne, l'ordinateur ne peut pas maintenir l'heure et la date exactes sur l'ordinateur une fois qu'il est éteint. Par exemple, une fois que l'ordinateur est allumé, vous pouvez voir l'heure et la date telles que 12h00 et 1er janvier 1990. Cette erreur spécifie que la batterie du CMOS est en panne.

• Le démarrage de l'ordinateur portable est difficile
• Le bip sonore peut être généré en continu à partir de la carte mère de l'ordinateur
• L'heure et la date se sont réinitialisées
• Les périphériques des ordinateurs ne répondent pas correctement
• Les pilotes du matériel ont disparu
• Internet ne peut pas être connecté.

Caractéristiques CMOS

Les caractéristiques les plus importantes du CMOS sont une faible utilisation de l'énergie statique, une immunité au bruit énorme. Lorsque le transistor unique de la paire de transistors MOSFET est éteint, la combinaison en série utilise une puissance significative tout au long de la commutation entre les deux indiqués comme ON et OFF.

En conséquence, ces appareils ne génèrent pas de chaleur perdue par rapport aux autres types de circuits logiques tels que la logique TTL ou NMOS, qui utilisent généralement un courant permanent même s'ils ne changent pas d'état.

Ces caractéristiques CMOS permettront d'intégrer des fonctions logiques à haute densité sur un circuit intégré. Pour cette raison, CMOS est devenu la technologie la plus fréquemment utilisée pour être exécutée dans les puces VLSI.

La phrase MOS est une référence à la structure physique du MOSFET qui comprend une électrode avec une grille métallique située sur le dessus d’un isolant oxyde de matériau semi-conducteur.

Un matériau comme l'aluminium n'est utilisé qu'une seule fois, mais le matériau est maintenant du polysilicium. La conception d'autres portes métalliques peut être réalisée en utilisant un retour par l'arrivée de matériaux diélectriques à haut κ dans le processus du processus CMOS.

CCD Vs CMOS

Les capteurs d'image comme le dispositif à couplage de charge (CCD) et le complément métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) sont deux types de technologies différents. Ceux-ci sont utilisés pour capturer l'image numériquement. Chaque capteur d'image a ses avantages, ses inconvénients et ses applications.

La principale différence entre CCD et CMOS est la manière de capturer l'image. Un dispositif à couplage de charge comme le CCD utilise un obturateur global tandis que le CMOS utilise un volet roulant. Ces deux capteurs d'image changent la charge de la lumière à l'électricité et la transforment en signaux électroniques.

Le processus de fabrication utilisé dans les CCD est spécial pour former la capacité de déplacer la charge à travers le CI sans altération. Ainsi, ce processus de fabrication peut conduire à des capteurs de très haute qualité sur la sensibilité et la fidélité à la lumière.

En revanche, les puces CMOS utilisent des procédures de fabrication fixes pour concevoir la puce et un processus similaire peut également être utilisé pour fabriquer les microprocesseurs. En raison des différences de fabrication, il existe des différences claires entre les capteurs tels que le CCD 7 CMOS.

Les capteurs CCD captureront les images avec moins de bruit et une qualité énorme, tandis que les capteurs CMOS sont généralement plus sujets au bruit.

Habituellement, le CMOS utilise moins d'énergie tandis que le CCD utilise beaucoup d'énergie, comme plus de 100 fois le capteur CMOS.

La fabrication de puces CMOS peut être effectuée sur n'importe quelle ligne de production de Si typique car elles ont tendance à être très bon marché par rapport aux CCD. Les capteurs CCD sont plus matures car ils sont produits en masse pendant une longue période.

Les imageurs CMOS et CCD dépendent de l'effet de la photoélectrique pour produire le signal électrique de la lumière

Sur la base des différences ci-dessus, les capteurs CCD sont utilisés dans les caméras pour cibler des images de haute qualité à travers de nombreux pixels et une sensibilité à la lumière exceptionnelle. Habituellement, les capteurs CMOS ont moins de résolution, de qualité et de sensibilité.
Dans certaines applications, les capteurs CMOS se sont récemment améliorés au point où ils atteignent presque l'égalité avec les dispositifs CCD. En général, les caméras CMOS ne sont pas chères et elles ont une grande autonomie de la batterie.

Verrouillage dans CMOS

Un verrouillage peut être défini comme lorsque le court-circuit se produit entre les deux bornes telles que l'alimentation et la terre, de sorte qu'un courant élevé peut être généré et le circuit intégré peut être endommagé. Dans CMOS, le verrouillage est l'occurrence d'un chemin à faible impédance entre le rail d'alimentation et le rail au sol en raison de la communication entre les deux transistors comme PNP et NPN parasites transistors .

Dans le circuit CMOS, les deux transistors comme PNP et NPN sont connectés à deux rails d'alimentation tels que VDD et GND. La protection de ces transistors peut se faire par des résistances.

Dans une transmission à verrouillage, le courant circulera de VDD à GND directement à travers les deux transistors de sorte qu'un court-circuit peut se produire, ainsi un courant extrême circulera de VDD à la borne de masse.

Il existe différentes méthodes de prévention du verrouillage

Dans la prévention du verrouillage, une résistance élevée peut être placée dans le sentier pour arrêter le flux de courant dans toute l'alimentation et pour rendre β1 * β2 inférieur à 1 en utilisant les méthodes suivantes.

La structure du SCR parasite sera percée dans l'environnement de transistors comme PMOS et NMOS à travers une couche d'oxyde isolante. La technologie de protection contre le verrouillage éteindra l'appareil une fois le verrouillage détecté.

Les services de test de verrouillage peuvent être effectués par de nombreux fournisseurs sur le marché. Ce test peut être effectué par une séquence de tentatives d'activation de la structure du SCR dans le CMOS IC tandis que les broches associées sont vérifiées lorsqu'une surintensité la traverse.

Il est conseillé d'obtenir les premiers échantillons du lot expérimental et de les envoyer à un laboratoire de test de Latch-up. Ce laboratoire appliquera l'alimentation électrique la plus élevée possible, puis fournira l'alimentation en courant aux entrées et sorties de la puce chaque fois qu'un verrouillage se produit via la surveillance de l'alimentation en courant.

Avantages

Les avantages du CMOS sont les suivants.

Les principaux avantages du CMOS sur TTL sont une bonne marge de bruit ainsi qu'une consommation d'énergie moindre. Cela est dû à l'absence de voie conductrice droite de VDD à GND, aux temps de chute basés sur les conditions d'entrée, puis la transmission du signal numérique deviendra facile et à faible coût grâce aux puces CMOS.

CMOS est utilisé pour expliquer la quantité de mémoire sur la carte mère de l'ordinateur qui sera stockée dans les paramètres du BIOS. Ces paramètres incluent principalement la date, l'heure et les paramètres du matériel
TTL est un circuit logique numérique dans lequel les transistors bipolaires fonctionnent sur des impulsions CC. Plusieurs portes logiques à transistors sont normalement constituées d'un seul circuit intégré.

Les sorties si CMOS est active dans les deux sens

• Il utilise une seule alimentation comme + VDD
• Ces portes sont très simples
• L'impédance d'entrée est élevée
• La logique CMOS utilise moins d'énergie lorsqu'elle est maintenue dans un état défini
• La dissipation de puissance est négligeable
• La répartition est élevée
• Compatibilité TTL
• Stabilité de la température
• L'immunité au bruit est bonne
• Compact
• La conception est très bien
• Robuste mécaniquement
• Le swing logique est grand (VDD)

Désavantages

Les inconvénients du CMOS sont les suivants.

• Le coût sera augmenté une fois que les étapes de traitement augmentera, cependant, il peut être résolu.
• La densité de remplissage du CMOS est faible par rapport au NMOS.
• Les puces MOS doivent être protégées contre les charges électrostatiques en plaçant les fils en court-circuit, sinon les charges statiques obtenues dans les fils endommageront la puce. Ce problème peut être résolu en incluant des circuits de protection sinon des dispositifs.
• Un autre inconvénient de l'inverseur CMOS est qu'il utilise deux transistors au lieu d'un NMOS pour construire un inverseur, ce qui signifie que le CMOS utilise plus d'espace sur la puce par rapport au NMOS. Ces inconvénients sont minimes en raison des progrès de la technologie CMOS.

Applications CMOS

Des processus MOS complémentaires ont été largement mis en œuvre et ont fondamentalement remplacé les processus NMOS et bipolaires pour presque toutes les applications de logique numérique. La technologie CMOS a été utilisée pour les conceptions de circuits intégrés numériques suivants.

• Mémoires informatiques, CPU
• Conceptions de microprocesseurs
• Conception de puces de mémoire flash
• Utilisé pour concevoir des circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC)

Ainsi, le Le transistor CMOS est très célèbre parce qu'ils utilisent l'énergie électrique efficacement. Ils n’utilisent pas d’alimentation électrique chaque fois qu’ils passent d’une condition à une autre. En outre, les semi-conducteurs complémentaires fonctionnent mutuellement pour arrêter la tension o / p. Le résultat est une conception à faible puissance qui fournit moins de chaleur, pour cette raison, ces transistors ont changé d'autres conceptions antérieures telles que les capteurs CCD dans les capteurs de caméra et utilisés dans la plupart des processeurs actuels. La mémoire du CMOS dans un ordinateur est une sorte de RAM non volatile qui stocke les paramètres du BIOS et les informations d'heure et de date.

Je pense que vous avez une meilleure compréhension de ce concept. De plus, toute question concernant ce concept ou projets électroniques , veuillez donner vos précieuses suggestions en commentant dans la section des commentaires ci-dessous. Voici une question pour vous, pourquoi CMOS est préférable à NMOS?