CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ist eine wichtige Komponente in verschiedenen elektronischen Geräten, insbesondere in Computern. Dieser Artikel soll ein umfassendes Verständnis von CMOS, seiner Geschichte, seinen Funktionen, Anwendungen und verwandten Konzepten vermitteln.
Einführung in CMOS
Was ist CMOS?
CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor (komplementärer Metalloxid-Halbleiter), eine Technologie, die Paare von p-Typ- und n-Typ-MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) für Logikfunktionen nutzt. Diese Technologie wird häufig beim Bau von integrierten Schaltkreisen (ICs) verwendet, darunter Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Speicherchips und digitale Logikschaltungen.
Eigenschaften von CMOS-Bauelementen
Zwei wesentliche Merkmale von CMOS-Bauelementen sind ihre hohe Störfestigkeit und ihr geringer statischer Stromverbrauch. Da einer der beiden Transistoren des MOSFET-Paares immer ausgeschaltet ist, verbraucht die Reihenschaltung nur beim Umschalten zwischen Ein- und Aus-Zustand kurzzeitig nennenswerte Leistung. Infolgedessen erzeugen CMOS-Bauteile im Vergleich zu anderen Logikformen, wie NMOS-Logik oder Transistor-Transistor-Logik (TTL), weniger Abwärme. Diese Eigenschaften ermöglichen es CMOS, eine hohe Dichte an Logikfunktionen auf einem Chip zu integrieren, was es zum dominierenden MOSFET-Fertigungsprozess für VLSI-Chips (Very Large Scale Integration) macht.
Geschichte von CMOS
Entstehung und Entwicklung
Das Konzept der komplementären Symmetrie wurde erstmals 1953 von George Sziklai vorgestellt. Der CMOS-Prozess wurde jedoch von Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor entwickelt und 1963 von Wanlass und Chih-Tang Sah auf der International Solid-State Circuits Conference vorgestellt. Wanlass meldete später ein US-Patent für CMOS-Schaltungen an, das 1967 erteilt wurde.
Kommerzialisierung und Einführung
RCA brachte die Technologie Ende der 1960er Jahre unter dem Markennamen „COS-MOS” auf den Markt, wodurch andere Hersteller gezwungen waren, einen anderen Namen zu finden, sodass „CMOS” Anfang der 1970er Jahre zum Standardnamen für diese Technologie wurde. CMOS überholte NMOS-Logik als dominierendes MOSFET-Fertigungsverfahren für VLSI-Chips in den 1980er Jahren und ersetzte auch die frühere Transistor-Transistor-Logik (TTL)-Technologie.
In den 1990er Jahren wurden fortschrittlichere Prozesstechnologien wie STI und Salicide (Metallsilizid) auf die CMOS-Prozesstechnologie angewendet. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Prozesstechnologie wurde die Strukturgröße von CMOS-Bauelementen proportional verringert. Die Arbeitsgeschwindigkeit der integrierten Schaltung mit CMOS-Prozess wird kontinuierlich verbessert, gleichzeitig kann eine niedrigere Versorgungsspannung gewählt werden, und die Leistung der integrierten Schaltung mit CMOS-Prozess kann bereits mit der integrierten Schaltung mit bipolarem Prozess konkurrieren.
Im 21. Jahrhundert, mit der rasanten Entwicklung der CMOS-Prozesstechnologie, wurden die Vorteile von integrierten Schaltungen mit CMOS-Prozess hervorgehoben, wie z. B. hohe Integration, starke Störfestigkeit, hohe Geschwindigkeit, geringer statischer Stromverbrauch, großer Versorgungsspannungsbereich und großer Ausgangsspannungsbereich, die die Technologie für den Entwurf analoger integrierter Schaltungen sprunghaft vorangebracht haben. Aufgrund der Vorteile der CMOS-Prozesstechnologie in vielerlei Hinsicht ist sie zur bevorzugten Technologie für digitale Schaltungen, analoge Schaltungen und digital-analoge Hybridschaltungen geworden. Im Jahr 2011 wurden 99 % der IC-Chips, darunter die meisten digitalen, analogen und Mixed-Signal-ICs, mit CMOS-Technologie hergestellt.
CMOS-Prozess
CMOS dient zur Herstellung von NMOS und PMOS auf demselben Chip, um eine integrierte Schaltung zu bilden. Die CMOS-Prozesstechnologie verwendet komplementäre symmetrische Schaltungen, um PMOS und NMOS zu konfigurieren und zu verbinden und so eine Logikschaltung zu bilden. Der statische Stromverbrauch dieser Schaltung ist nahezu null. Diese Theorie kann das Problem des Stromverbrauchs gut lösen. Diese Entdeckung hat eine theoretische Grundlage für die Entwicklung der CMOS-Prozesstechnologie geschaffen.
CMOS-Inverterschaltung
Die folgende Abbildung zeigt eine CMOS-Inverterschaltung, die aus PMOS und NMOS besteht, nur wenn der Eingangsport von einem niedrigen Pegel (VSS) auf einen hohen Pegel (VDD) oder von einem hohen Pegel (VDD) auf einen niedrigen Pegel (VSS) wechselt. Im Moment des Übergangs werden NMOS und PMOS gleichzeitig eingeschaltet, und es wird ein Strom zwischen VDD und VSS erzeugt, wodurch ein Stromverbrauch entsteht. Wenn der Eingangsport auf niedrigem Pegel ist, wird nur der PMOS eingeschaltet, und wenn der Eingangsport auf hohem Pegel ist, wird nur der NMOS eingeschaltet, und es wird kein Strom zwischen VDD und VSS erzeugt, sodass der statische Stromverbrauch gleich Null ist.
CMOS-Latch-Struktur
Die folgende Abbildung zeigt die parasitäre PNPN-Latch-Struktur in der CMOS-Inverterschaltung. Wenn am Ausgangsanschluss Rauschen auftritt, führt dies dazu, dass der parasitäre Bipolartransistor PNP oder NPN leitet und dann einen Leitungsstrom bildet, der durch den Widerstand Rp oder Rn fließt. Es entsteht eine positive Rückkopplung, wodurch ein weiterer parasitärer Bipolartransistor eingeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die beiden parasitären Bipolartransistoren gleichzeitig eingeschaltet, wodurch ein Latch-up-Pfad mit niedriger Impedanz entsteht, der den Chip verbrennt. Die Vorteile der CMOS-Prozesstechnologie sind eine geringe Verlustleistung und eine hohe Störfestigkeit, sodass die frühe CMOS-Prozesstechnologie hauptsächlich in elektronischen Bereichen wie Spielzeug, Uhren und Taschenrechnern eingesetzt wird, die langsamere Geschwindigkeiten tolerieren können.
CMOS in Computern
CMOS-Speicher
In Computern bezeichnet CMOS einen kleinen Speicherbereich auf der Hauptplatine, in dem die BIOS-Einstellungen (Basic Input Output System) gespeichert sind. Dieser Speicher enthält wichtige Informationen, darunter die Systemzeit und das Datum sowie Hardwareeinstellungen.
CMOS-Batterie
Der CMOS-Speicher wird von einer Batterie gespeist, in der Regel einer münzgroßen CR2032-Zelle, die den Chip konstant mit Strom versorgt. Diese Batterie sorgt dafür, dass der CMOS seine Daten auch dann behält, wenn der Computer ausgeschaltet ist. Eine CMOS-Batterie hält in der Regel etwa 10 Jahre, muss jedoch je nach Nutzung und Umgebung des Computers möglicherweise ausgetauscht werden.
CMOS löschen
Das Löschen des CMOS umfasst das Zurücksetzen der BIOS-Einstellungen auf ihre Standardwerte, was bei verschiedenen Computerproblemen eine hilfreiche Maßnahme zur Fehlerbehebung sein kann. Dieser Vorgang ist häufig erforderlich, wenn der Computer einfriert, hardwarebezogene Fehlermeldungen anzeigt oder die CMOS-Batterie ausfällt.
CMOS-Anwendungen
Analoge Schaltungen
Die CMOS-Technologie wird auch in analogen Schaltungen wie Bildsensoren, Datenwandlern, HF-Schaltungen (Hochfrequenzschaltungen) und hochintegrierten Transceivern für verschiedene Arten der Kommunikation eingesetzt.
CMOS-Bildsensoren
Ein CMOS-Bildsensor ist ein Bildsensortyp, der in Digitalkameras verwendet wird, um Bilder in digitale Daten umzuwandeln.
Mikroprozessoren und Mikrocontroller
Die CMOS-Technologie wird bei der Entwicklung von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern eingesetzt, die wesentliche Bestandteile verschiedener elektronischer Geräte sind.
CMOS vs. BIOS
CMOS und BIOS sind zwar eng miteinander verbunden, erfüllen jedoch unterschiedliche Funktionen innerhalb eines Computers. Das BIOS ist ein Computerchip auf der Hauptplatine, der für die Kommunikation zwischen dem Prozessor und anderen Hardwarekomponenten zuständig ist. Im Gegensatz dazu ist CMOS ein RAM-Chip auf der Hauptplatine, der die BIOS-Einstellungen speichert.
Weitere Details finden Sie in der folgenden Tabelle:
| 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 |
