CMOS, atau Complementary Metal Oxide Semiconductor, merupakan komponen penting dalam berbagai perangkat elektronik, terutama pada komputer. Artikel ini bertujuan untuk memberikan pemahaman yang komprehensif mengenai CMOS, sejarahnya, fungsi, aplikasi, serta konsep-konsep terkait.
Pengantar CMOS
Apa itu CMOS?
CMOS merupakan singkatan dari Complementary Metal Oxide Semiconductor, sebuah teknologi yang memanfaatkan pasangan MOSFET tipe-p dan tipe-n (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) untuk fungsi logika. Teknologi ini banyak digunakan dalam pembuatan sirkuit terpadu (IC), termasuk mikroprosesor, mikrokontroler, chip memori, dan sirkuit logika digital.
Karakteristik Perangkat CMOS
Dua karakteristik utama perangkat CMOS adalah ketahanan terhadap gangguan yang tinggi dan konsumsi daya statis yang rendah. Karena salah satu transistor dari pasangan MOSFET selalu dalam keadaan mati, rangkaian seri ini hanya mengonsumsi daya yang signifikan secara sesaat saat terjadi peralihan antara keadaan hidup dan mati. Akibatnya, perangkat CMOS menghasilkan lebih sedikit panas sisa dibandingkan dengan bentuk logika lainnya, seperti logika NMOS atau logika transistor-transistor (TTL). Karakteristik ini memungkinkan CMOS untuk mengintegrasikan kepadatan fungsi logika yang tinggi pada sebuah chip, menjadikannya proses fabrikasi MOSFET yang dominan untuk chip integrasi skala sangat besar (VLSI).
Sejarah CMOS
Asal-usul dan Perkembangan
Konsep simetri komplementer pertama kali diperkenalkan oleh George Sziklai pada tahun 1953. Namun, proses CMOS dirancang oleh Frank Wanlass di Fairchild Semiconductor dan dipaparkan oleh Wanlass dan Chih-Tang Sah pada Konferensi Sirkuit Semikonduktor Internasional pada tahun 1963. Wanlass kemudian mengajukan permohonan paten AS untuk sirkuit CMOS, yang disetujui pada tahun 1967.
Komersialisasi dan Penerapan
RCA mengkomersialkan teknologi tersebut dengan merek dagang "COS-MOS" pada akhir tahun 1960-an, sehingga memaksa produsen lain untuk mencari nama lain, yang pada akhirnya membuat "CMOS" menjadi nama standar untuk teknologi tersebut pada awal tahun 1970-an. CMOS menggeser logika NMOS sebagai proses fabrikasi MOSFET yang dominan untuk chip VLSI pada tahun 1980-an, sekaligus menggantikan teknologi transistor-transistor logic (TTL) sebelumnya.
Pada tahun 1990-an, teknologi proses yang lebih canggih seperti STI dan Salicide (silisida logam) diterapkan pada teknologi proses CMOS. Dengan perkembangan teknologi proses yang berkelanjutan, ukuran fitur perangkat CMOS secara bertahap berkurang secara proporsional. Kecepatan kerja sirkuit terpadu proses CMOS terus ditingkatkan, dan pada saat yang sama, tegangan suplai daya yang lebih rendah dapat dipilih, serta kinerja sirkuit terpadu proses CMOS sudah dapat bersaing dengan sirkuit terpadu proses bipolar.
Pada abad ke-21, seiring perkembangan pesat teknologi proses CMOS, keunggulan sirkuit terpadu proses CMOS semakin menonjol, seperti integrasi tinggi, kemampuan anti-interferensi yang kuat, kecepatan tinggi, konsumsi daya statis rendah, rentang tegangan suplai yang luas, dan rentang tegangan keluaran yang luas, yang telah membuat teknologi desain sirkuit terpadu analog berkembang pesat. Berkat keunggulan teknologi proses CMOS dalam berbagai aspek, teknologi ini telah menjadi pilihan utama untuk sirkuit digital, sirkuit analog, dan sirkuit hibrida digital-analog. Pada tahun 2011, 99% chip IC, termasuk sebagian besar IC digital, analog, dan sinyal campuran, diproduksi menggunakan teknologi CMOS.
Proses CMOS
CMOS merupakan teknologi yang memproduksi transistor NMOS dan PMOS pada chip yang sama untuk membentuk sirkuit terpadu. Teknologi proses CMOS menggunakan sirkuit simetris komplementer untuk mengonfigurasi dan menghubungkan transistor PMOS dan NMOS guna membentuk sirkuit logika. Konsumsi daya statis sirkuit ini hampir nol. Teori ini mampu mengatasi masalah konsumsi daya dengan baik; penemuan ini telah meletakkan landasan teoretis bagi pengembangan teknologi proses CMOS.
Sirkuit Inverter CMOS
Gambar di bawah ini menunjukkan rangkaian inverter CMOS yang terdiri dari PMOS dan NMOS; rangkaian ini hanya aktif ketika port masukan berubah dari level rendah (VSS) ke level tinggi (VDD) atau dari level tinggi (VDD) ke level rendah (VSS). Pada saat transisi, NMOS dan PMOS akan aktif secara bersamaan, dan arus akan mengalir antara VDD dan VSS, sehingga menimbulkan konsumsi daya. Ketika port masukan berada pada level rendah, hanya PMOS yang aktif, dan ketika port masukan berada pada level tinggi, hanya NMOS yang aktif, sehingga tidak ada arus yang dihasilkan antara VDD dan VSS, sehingga konsumsi daya statisnya nol.
Struktur latch CMOS
Gambar berikut menunjukkan struktur latch PNPN parasit pada rangkaian inverter CMOS. Ketika terdapat gangguan pada port keluaran, hal ini akan menyebabkan transistor bipolar parasit PNP atau NPN menjadi konduktif, dan kemudian membentuk arus konduksi yang mengalir melalui resistor Rp atau Rn. Umpan balik positif pun terbentuk, yang menyebabkan transistor bipolar parasit lainnya menjadi aktif, dan pada saat ini, kedua transistor bipolar parasit tersebut menyala secara bersamaan untuk membentuk jalur impedansi rendah latch-up, yang membakar chip. Keunggulan teknologi proses CMOS adalah disipasi daya yang kecil dan toleransi gangguan yang besar, sehingga teknologi proses CMOS awal terutama digunakan di bidang elektronik seperti mainan, jam tangan, dan kalkulator yang dapat mentoleransi kecepatan yang lebih lambat.
CMOS dalam Komputer
Memori CMOS
Dalam dunia komputer, CMOS merujuk pada ruang memori berkapasitas kecil di papan induk yang menyimpan pengaturan BIOS (Basic Input Output System). Memori ini berisi informasi penting, termasuk waktu dan tanggal sistem, serta pengaturan perangkat keras.
Baterai CMOS
Memori CMOS disuplai daya oleh sebuah baterai, biasanya baterai CR2032 seukuran koin, yang menyediakan daya terus-menerus ke chip tersebut. Baterai ini memastikan bahwa CMOS tetap menyimpan datanya meskipun komputer dimatikan. Umur pakai baterai CMOS umumnya sekitar 10 tahun, tetapi mungkin perlu diganti tergantung pada pola penggunaan dan lingkungan komputer.
Menghapus CMOS
Membersihkan CMOS berarti mengembalikan pengaturan BIOS ke nilai defaultnya, yang dapat menjadi langkah pemecahan masalah yang berguna untuk berbagai masalah komputer. Proses ini sering kali diperlukan jika komputer mengalami hang, pesan kesalahan terkait perangkat keras, atau kegagalan baterai CMOS.
Aplikasi CMOS
Sirkuit Analog
Teknologi CMOS juga digunakan dalam rangkaian analog seperti sensor gambar, konverter data, rangkaian RF (frekuensi radio), dan transceiver yang sangat terintegrasi untuk berbagai jenis komunikasi.
Sensor Gambar CMOS
Sensor gambar CMOS adalah jenis sensor gambar yang digunakan pada kamera digital untuk mengubah gambar menjadi data digital.
Mikroprosesor dan Mikrokontroler
Teknologi CMOS digunakan dalam pengembangan mikroprosesor dan mikrokontroler, yang merupakan komponen penting dari berbagai perangkat elektronik.
CMOS vs. BIOS
Meskipun CMOS dan BIOS saling terkait erat, keduanya memiliki fungsi yang berbeda dalam sebuah komputer. BIOS adalah chip komputer yang terdapat pada motherboard dan bertugas memfasilitasi komunikasi antara prosesor dan komponen perangkat keras lainnya. Sebaliknya, CMOS adalah chip RAM yang terdapat pada motherboard dan berfungsi untuk menyimpan pengaturan BIOS.
Lihat tabel berikut untuk detail lebih lanjut:
| 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 |
