CMOS, или комплементарный металлооксидный полупроводник, является важным компонентом различных электронных устройств, в частности компьютеров. Цель этой статьи — дать исчерпывающее представление о CMOS, его истории, функциях, применении и связанных с ним понятиях.
Введение в CMOS
Что такое CMOS?
CMOS означает «комплементарный металлооксидный полупроводник» — технологию, в которой для логических функций используются пары MOSFET (металл-оксидных полевых транзисторов) p-типа и n-типа. Эта технология широко используется в конструкции интегральных схем (ИС), включая микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти и цифровые логические схемы.
Характеристики устройств CMOS
Двумя важными характеристиками устройств CMOS являются высокая помехоустойчивость и низкое статическое энергопотребление. Поскольку один транзистор пары MOSFET всегда выключен, последовательное соединение потребляет значительную мощность только на мгновение во время переключения между состояниями «включено» и «выключено». В результате устройства CMOS генерируют меньше отработанного тепла по сравнению с другими формами логики, такими как NMOS-логика или транзистор-транзисторная логика (TTL). Эти характеристики позволяют CMOS интегрировать высокую плотность логических функций на чипе, что делает его доминирующим процессом изготовления MOSFET для чипов очень большой степени интеграции (VLSI).
История CMOS
Происхождение и развитие
Концепция комплементарной симметрии была впервые представлена Джорджем Сиклаем в 1953 году. Однако процесс CMOS был разработан Фрэнком Ванлассом из Fairchild Semiconductor и представлен Ванлассом и Чи-Тангом Сахом на Международной конференции по твердотельным схемам в 1963 году. Позже Ванласс подал заявку на патент США на схему CMOS, который был выдан в 1967 году.
Коммерциализация и внедрение
В конце 1960-х годов компания RCA выпустила на рынок технологию под торговой маркой «COS-MOS», что вынудило других производителей найти другое название, в результате чего к началу 1970-х годов «CMOS» стало стандартным названием этой технологии. В 1980-х годах CMOS превзошла NMOS-логику как доминирующий процесс производства MOSFET для микросхем VLSI, а также заменила более раннюю технологию транзистор-транзисторной логики (TTL).
В 1990-х годах к технологии CMOS были применены более передовые технологические процессы, такие как STI и Salicide (металлический силицид). С непрерывным развитием технологического процесса размеры элементов CMOS-устройств постепенно уменьшались пропорционально. Рабочая скорость интегральной схемы CMOS-процесса постоянно улучшается, и в то же время можно выбрать более низкое напряжение питания, а производительность интегральной схемы CMOS-процесса уже может конкурировать с интегральной схемой биполярного процесса.
В XXI веке, с быстрым развитием технологии CMOS, преимущества интегральных схем CMOS стали еще более заметными, такими как высокая степень интеграции, высокая помехоустойчивость, высокая скорость, низкое статическое энергопотребление, широкий диапазон напряжения питания и широкий диапазон выходного напряжения, что позволило технологии проектирования аналоговых интегральных схем сделать огромный скачок вперед. Благодаря преимуществам технологии CMOS во многих аспектах, она стала предпочтительной технологией для цифровых схем, аналоговых схем и цифро-аналоговых гибридных схем. По состоянию на 2011 год 99% микросхем, включая большинство цифровых, аналоговых и смешанных микросхем, были изготовлены с использованием технологии CMOS.
CMOS-процесс
CMOS — это производство NMOS и PMOS на одном чипе для формирования интегральной схемы. Технология CMOS использует комплементарные симметричные схемы для конфигурации и соединения PMOS и NMOS с целью формирования логической схемы. Статическое энергопотребление этой схемы практически равно нулю. Эта теория позволяет хорошо решить проблему энергопотребления, и это открытие заложило теоретическую основу для развития технологии CMOS.
Инверторная схема CMOS
На рисунке ниже показана схема CMOS-инвертора, состоящая из PMOS и NMOS, только когда входной порт меняется с низкого уровня (VSS) на высокий уровень (VDD) или с высокого уровня (VDD) на низкий уровень (VSS). В момент перехода NMOS и PMOS включаются одновременно, и между VDD и VSS возникает ток, что приводит к потреблению энергии. Когда входной порт находится на низком уровне, включается только PMOS, а когда входной порт находится на высоком уровне, включается только NMOS, и между VDD и VSS не будет генерироваться ток, поэтому статическое энергопотребление равно нулю.
Структура защелки CMOS
На следующем рисунке показана паразитная структура защелки PNPN в схеме инвертора CMOS. При наличии шума на выходном порту происходит проводимость паразитного биполярного транзистора PNP или NPN, а затем формируется ток проводимости, протекающий через резистор Rp или Rn. Образуется положительная обратная связь, в результате чего включается другой паразитный биполярный транзистор, и в этот момент два паразитных биполярных транзистора включаются одновременно, образуя защелку с низким импедансом, которая выжигает чип. Преимуществами технологии CMOS являются небольшая рассеиваемая мощность и высокая шумоустойчивость, поэтому ранняя технология CMOS в основном используется в таких областях электроники, как игрушки, часы и калькуляторы, которые могут работать с более низкими скоростями.
CMOS в компьютерах
CMOS-память
В компьютерах CMOS означает небольшой объем памяти на материнской плате, в котором хранятся настройки BIOS (базовая система ввода-вывода). Эта память содержит важную информацию, включая системное время и дату, а также настройки оборудования.
CMOS-батарея
Память CMOS питается от батареи, обычно размером с монету CR2032, которая обеспечивает постоянное питание микросхемы. Эта батарея гарантирует, что CMOS сохраняет свои данные даже при выключенном компьютере. Батарея CMOS обычно служит около 10 лет, но может потребоваться ее замена в зависимости от использования и условий эксплуатации компьютера.
Очистка CMOS
Очистка CMOS включает сброс настроек BIOS до их значений по умолчанию, что может быть полезным шагом при устранении различных компьютерных проблем. Этот процесс часто необходим, если компьютер зависает, выдает сообщения об ошибках, связанных с оборудованием, или в случае отказа батареи CMOS.
Применение CMOS
Аналоговые схемы
Технология CMOS также используется в аналоговых схемах, таких как датчики изображения, преобразователи данных, радиочастотные (РЧ) схемы и высокоинтегрированные приемопередатчики для различных типов связи.
CMOS-датчики изображения
CMOS-датчик изображения — это тип датчика изображения, используемый в цифровых фотоаппаратах для преобразования изображений в цифровые данные.
Микропроцессоры и микроконтроллеры
Технология CMOS используется при разработке микропроцессоров и микроконтроллеров, которые являются важными компонентами различных электронных устройств.
CMOS против BIOS
Хотя CMOS и BIOS тесно связаны между собой, они выполняют разные функции в компьютере. BIOS — это компьютерный чип на материнской плате, отвечающий за связь между процессором и другими аппаратными компонентами. CMOS, напротив, представляет собой чип RAM на материнской плате, в котором хранятся настройки BIOS.
Более подробную информацию см. в следующей таблице:
| 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 |
