Le CMOS, ou semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire, est un composant essentiel de divers appareils électroniques, en particulier des ordinateurs. Cet article vise à fournir une compréhension complète du CMOS, de son histoire, de ses fonctions, de ses applications et des concepts connexes.
Introduction au CMOS
Qu'est-ce que le CMOS ?
CMOS signifie « Complementary Metal Oxide Semiconductor » (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire), une technologie qui utilise des paires de MOSFET (transistors à effet de champ à oxyde métallique) de type p et de type n pour les fonctions logiques. Cette technologie est largement utilisée dans la construction de circuits intégrés (CI), notamment les microprocesseurs, les microcontrôleurs, les puces mémoire et les circuits logiques numériques.
Caractéristiques des dispositifs CMOS
Les dispositifs CMOS se caractérisent principalement par leur grande immunité au bruit et leur faible consommation d'énergie statique. Étant donné qu'un des transistors de la paire MOSFET est toujours désactivé, la combinaison en série ne consomme une puissance importante que momentanément, lors du passage de l'état activé à l'état désactivé. Par conséquent, les dispositifs CMOS génèrent moins de chaleur résiduelle que d'autres formes de logique, telles que la logique NMOS ou la logique transistor-transistor (TTL). Ces caractéristiques permettent au CMOS d'intégrer une haute densité de fonctions logiques sur une puce, ce qui en fait le processus de fabrication MOSFET dominant pour les puces à très grande échelle d'intégration (VLSI).
Histoire du CMOS
Origines et développement
Le concept de symétrie complémentaire a été introduit pour la première fois par George Sziklai en 1953. Cependant, le procédé CMOS a été conçu par Frank Wanlass chez Fairchild Semiconductor et présenté par Wanlass et Chih-Tang Sah lors de la Conférence internationale sur les circuits à semi-conducteurs en 1963. Wanlass a ensuite déposé un brevet américain pour les circuits CMOS, qui lui a été accordé en 1967.
Commercialisation et adoption
RCA a commercialisé cette technologie sous la marque « COS-MOS » à la fin des années 1960, obligeant les autres fabricants à trouver un autre nom, ce qui a conduit à l'adoption du nom « CMOS » comme nom standard pour cette technologie au début des années 1970. Le CMOS a supplanté la logique NMOS en tant que processus de fabrication MOSFET dominant pour les puces VLSI dans les années 1980, remplaçant également la technologie antérieure de logique transistor-transistor (TTL).
Dans les années 1990, des technologies de processus plus avancées telles que STI et Salicide (siliciure métallique) ont été appliquées à la technologie de processus CMOS. Avec le développement continu de la technologie de processus, la taille des composants CMOS a été progressivement réduite de manière proportionnelle. La vitesse de fonctionnement du circuit intégré CMOS est continuellement améliorée, et dans le même temps, une tension d'alimentation plus faible peut être sélectionnée, et les performances du circuit intégré CMOS peuvent déjà rivaliser avec celles du circuit intégré bipolaire.
Au XXIe siècle, avec le développement rapide de la technologie de processus CMOS, les avantages des circuits intégrés CMOS ont été mis en évidence, tels que la haute intégration, la forte capacité anti-interférence, la haute vitesse, la faible consommation d'énergie statique, la large plage de tension d'alimentation et la large plage de tension de sortie, qui ont permis à la technologie de conception des circuits intégrés analogiques de progresser à pas de géant. En raison des avantages de la technologie CMOS à de nombreux égards, elle est devenue la technologie privilégiée pour les circuits numériques, les circuits analogiques et les circuits hybrides numériques-analogiques. En 2011, 99 % des puces IC, y compris la plupart des IC numériques, analogiques et à signaux mixtes, étaient fabriquées à l'aide de la technologie CMOS.
Procédé CMOS
Le CMOS consiste à fabriquer des NMOS et des PMOS sur la même puce afin de former un circuit intégré. La technologie de processus CMOS utilise des circuits symétriques complémentaires pour configurer et connecter les PMOS et les NMOS afin de former un circuit logique. La consommation d'énergie statique de ce circuit est presque nulle. Cette théorie permet de bien résoudre le problème de la consommation d'énergie. Cette découverte a jeté les bases théoriques du développement de la technologie de processus CMOS.
Circuit inverseur CMOS
La figure ci-dessous montre un circuit inverseur CMOS composé de PMOS et NMOS, uniquement lorsque le port d'entrée passe d'un niveau bas (VSS) à un niveau haut (VDD) ou d'un niveau haut (VDD) à un niveau bas (VSS). Au moment de la transition, NMOS et PMOS seront activés simultanément, et un courant sera généré entre VDD et VSS, entraînant ainsi une consommation d'énergie. Lorsque le port d'entrée est à niveau bas, seul le PMOS est activé, et lorsque le port d'entrée est à niveau haut, seul le NMOS est activé, et aucun courant n'est généré entre VDD et VSS, de sorte que la consommation d'énergie statique est nulle.
Structure de verrouillage CMOS
La figure suivante montre la structure de verrouillage PNPN parasite dans le circuit inverseur CMOS. Lorsqu'il y a du bruit au niveau du port de sortie, cela provoque la conduction du transistor bipolaire parasite PNP ou NPN, puis la formation d'un courant de conduction qui circule à travers la résistance Rp ou Rn. Une rétroaction positive se forme, provoquant l'activation d'un autre transistor bipolaire parasite. À ce moment-là, les deux transistors bipolaires parasites sont activés simultanément pour former un chemin à faible impédance de verrouillage, ce qui brûle la puce. Les avantages de la technologie de processus CMOS sont une faible dissipation de puissance et une grande tolérance au bruit. C'est pourquoi la technologie de processus CMOS précoce est principalement utilisée dans les domaines électroniques tels que les jouets, les montres et les calculatrices qui peuvent tolérer des vitesses plus lentes.
CMOS dans les ordinateurs
Mémoire CMOS
En informatique, CMOS désigne une petite quantité de mémoire sur la carte mère qui stocke les paramètres du BIOS (Basic Input Output System). Cette mémoire contient des informations essentielles, notamment l'heure et la date du système, ainsi que les paramètres matériels.
Pile CMOS
La mémoire CMOS est alimentée par une pile, généralement une pile CR2032 de la taille d'une pièce de monnaie, qui fournit une alimentation constante à la puce. Cette pile garantit que la CMOS conserve ses données même lorsque l'ordinateur est éteint. Une pile CMOS a généralement une durée de vie d'environ 10 ans, mais peut devoir être remplacée en fonction de l'utilisation et de l'environnement de l'ordinateur.
Effacement du CMOS
Le nettoyage du CMOS consiste à réinitialiser les paramètres du BIOS à leurs valeurs par défaut, ce qui peut être utile pour résoudre divers problèmes informatiques. Ce processus est souvent nécessaire si l'ordinateur se bloque, affiche des messages d'erreur liés au matériel ou si la batterie du CMOS est défectueuse.
CMOS Applications
Circuits analogiques
La technologie CMOS est également utilisée dans les circuits analogiques tels que les capteurs d'image, les convertisseurs de données, les circuits RF (radiofréquence) et les émetteurs-récepteurs hautement intégrés pour divers types de communication.
Capteurs d'image CMOS
Un capteur d'image CMOS est un type de capteur d'image utilisé dans les appareils photo numériques pour convertir les images en données numériques.
Microprocesseurs et microcontrôleurs
La technologie CMOS est utilisée dans le développement des microprocesseurs et des microcontrôleurs, qui sont des composants essentiels de divers appareils électroniques.
CMOS vs BIOS
Bien que le CMOS et le BIOS soient étroitement liés, ils remplissent des fonctions différentes au sein d'un ordinateur. Le BIOS est une puce informatique située sur la carte mère qui assure la communication entre le processeur et les autres composants matériels. En revanche, le CMOS est une puce RAM située sur la carte mère qui stocke les paramètres du BIOS.
Consultez le tableau suivant pour plus de détails :
| 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 |
