CMOS, o semiconductor complementario de óxido metálico, es un componente crucial en diversos dispositivos electrónicos, especialmente en ordenadores. El objetivo de este artículo es proporcionar una comprensión exhaustiva de CMOS, su historia, funciones, aplicaciones y conceptos relacionados.
Introducción a CMOS
¿Qué es CMOS?
CMOS son las siglas de Complementary Metal Oxide Semiconductor (semiconductor complementario de óxido metálico), una tecnología que utiliza pares de MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico) de tipo p y tipo n para funciones lógicas. Esta tecnología se utiliza ampliamente en la construcción de circuitos integrados (IC), incluidos microprocesadores, microcontroladores, chips de memoria y circuitos lógicos digitales.
Características de los dispositivos CMOS
Dos características significativas de los dispositivos CMOS son su alta inmunidad al ruido y su bajo consumo de energía estática. Dado que uno de los transistores del par MOSFET está siempre apagado, la combinación en serie solo consume una cantidad significativa de energía momentáneamente durante el cambio entre los estados de encendido y apagado. Como resultado, los dispositivos CMOS generan menos calor residual en comparación con otras formas de lógica, como la lógica NMOS o la lógica transistor-transistor (TTL). Estas características permiten al CMOS integrar una alta densidad de funciones lógicas en un chip, lo que lo convierte en el proceso de fabricación de MOSFET dominante para chips de integración a muy gran escala (VLSI).
Historia de CMOS
Orígenes y desarrollo
El concepto de simetría complementaria fue introducido por primera vez por George Sziklai en 1953. Sin embargo, el proceso CMOS fue concebido por Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor y presentado por Wanlass y Chih-Tang Sah en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido en 1963. Wanlass solicitó posteriormente una patente estadounidense para los circuitos CMOS, que le fue concedida en 1967.
Comercialización y adopción
RCA comercializó la tecnología con la marca registrada «COS-MOS» a finales de la década de 1960, lo que obligó a otros fabricantes a buscar otro nombre, lo que llevó a que «CMOS» se convirtiera en el nombre estándar de la tecnología a principios de la década de 1970. CMOS superó a la lógica NMOS como proceso de fabricación MOSFET dominante para chips VLSI en la década de 1980, sustituyendo también a la anterior tecnología de lógica transistor-transistor (TTL).
En la década de 1990, se aplicaron tecnologías de proceso más avanzadas, como STI y Salicide (siliciuro metálico), a la tecnología de proceso CMOS. Con el continuo desarrollo de la tecnología de proceso, el tamaño de las características de los dispositivos CMOS se redujo gradualmente en proporción. La velocidad de trabajo del circuito integrado del proceso CMOS mejora continuamente y, al mismo tiempo, se puede seleccionar una tensión de alimentación más baja, y el rendimiento del circuito integrado del proceso CMOS ya puede competir con el circuito integrado del proceso bipolar.
En el siglo XXI, con el rápido desarrollo de la tecnología de proceso CMOS, se han puesto de relieve las ventajas de los circuitos integrados de proceso CMOS, como la alta integración, la fuerte capacidad antiinterferencias, la alta velocidad, el bajo consumo de energía estática, el amplio rango de tensión de alimentación y el amplio rango de tensión de salida, lo que ha hecho que la tecnología de diseño de circuitos integrados analógicos avance a pasos agigantados. Debido a las ventajas de la tecnología de proceso CMOS en muchos aspectos, se ha convertido en la tecnología preferida para circuitos digitales, circuitos analógicos y circuitos híbridos digitales-analógicos. En 2011, el 99 % de los chips IC, incluidos la mayoría de los IC digitales, analógicos y de señal mixta, se fabricaban utilizando tecnología CMOS.
Proceso CMOS
CMOS consiste en fabricar NMOS y PMOS en el mismo chip para formar un circuito integrado. La tecnología de proceso CMOS utiliza circuitos simétricos complementarios para configurar y conectar PMOS y NMOS con el fin de formar un circuito lógico. El consumo de energía estático de este circuito es casi nulo. Esta teoría puede resolver bien el problema del consumo de energía, y este descubrimiento ha sentado las bases teóricas para el desarrollo de la tecnología de proceso CMOS.
Circuito inversor CMOS
La siguiente figura muestra un circuito inversor CMOS compuesto por PMOS y NMOS, solo cuando el puerto de entrada cambia de nivel bajo (VSS) a nivel alto (VDD) o de nivel alto (VDD) a nivel bajo (VSS). En el momento de la transición, NMOS y PMOS se activarán al mismo tiempo y se generará una corriente entre VDD y VSS, lo que generará un consumo de energía. Cuando el puerto de entrada está en nivel bajo, solo se activa el PMOS, y cuando el puerto de entrada está en nivel alto, solo se activa el NMOS, por lo que no se generará corriente entre VDD y VSS, de modo que el consumo de energía estático es cero.
Estructura de enclavamiento CMOS
La siguiente figura muestra la estructura de enclavamiento PNPN parásita en el circuito inversor CMOS. Cuando hay ruido en el puerto de salida, provoca que el transistor bipolar parásito PNP o NPN conduzca y, a continuación, forme una corriente de conducción que fluye a través de la resistencia Rp o Rn. Se forma una retroalimentación positiva, lo que provoca que se active otro transistor bipolar parásito y, en ese momento, los dos transistores bipolares parásitos se activan al mismo tiempo para formar una ruta de baja impedancia de enclavamiento, lo que quema el chip. Las ventajas de la tecnología de proceso CMOS son la pequeña disipación de potencia y la gran tolerancia al ruido, por lo que la tecnología de proceso CMOS temprana se utiliza principalmente en campos electrónicos como juguetes, relojes y calculadoras que pueden tolerar velocidades más lentas.
CMOS en ordenadores
Memoria CMOS
En informática, CMOS se refiere a una pequeña cantidad de memoria en la placa base que almacena la configuración del BIOS (sistema básico de entrada/salida). Esta memoria contiene información esencial, como la hora y la fecha del sistema, así como la configuración del hardware.
Batería CMOS
La memoria CMOS se alimenta mediante una pila, normalmente una pila CR2032 del tamaño de una moneda, que proporciona energía constante al chip. Esta pila garantiza que la CMOS conserve sus datos incluso cuando el ordenador está apagado. Una pila CMOS suele durar unos 10 años, pero es posible que sea necesario sustituirla en función del uso y el entorno del ordenador.
Borrar CMOS
Borrar la CMOS implica restablecer la configuración del BIOS a sus valores predeterminados, lo que puede ser un paso útil para solucionar diversos problemas informáticos. Este proceso suele ser necesario si el ordenador se bloquea, muestra mensajes de error relacionados con el hardware o falla la batería de la CMOS.
Aplicaciones CMOS
Circuitos analógicos
La tecnología CMOS también se utiliza en circuitos analógicos, como sensores de imagen, convertidores de datos, circuitos de radiofrecuencia (RF) y transceptores altamente integrados para diversos tipos de comunicación.
Sensores de imagen CMOS
Un sensor de imagen CMOS es un tipo de sensor de imagen utilizado en cámaras digitales para convertir imágenes en datos digitales.
Microprocesadores y microcontroladores
La tecnología CMOS se emplea en el desarrollo de microprocesadores y microcontroladores, que son componentes esenciales de diversos dispositivos electrónicos.
CMOS vs. BIOS
Aunque CMOS y BIOS están estrechamente relacionados, cumplen funciones diferentes dentro de un ordenador. La BIOS es un chip informático situado en la placa base que se encarga de la comunicación entre el procesador y otros componentes de hardware. Por el contrario, CMOS es un chip RAM situado en la placa base que almacena la configuración de la BIOS.
Consulte la siguiente tabla para obtener más detalles:
| Feature | CMOS | BIOS |
|---|---|---|
| Full Form | Complementary Metal-Oxide-Semiconductor | Basic Input/Output System |
| Function | Provides storage for system configuration data and real-time clock settings | Manages the initial hardware initialization process and provides a basic set of low-level routines |
| Nature | Memory technology | Software |
| Storage | Non-volatile memory | Flash memory or EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) |
| Purpose | Stores BIOS settings | Executes the BIOS firmware |
| Accessibility | Accessible during system operation | Accessible during system startup |
| Configuration Data | Holds system settings (e.g., date, time, boot order) | Contains firmware settings and parameters |
| Volatility | Retains data even when the system is powered off | Data can be modified or erased |
| Battery Backup | Requires a CMOS battery to retain data | Not applicable |
| Size | Small in size and capacity | Larger in size and capacity |
