CMOS, o semiconduttore a ossido metallico complementare, è un componente cruciale in vari dispositivi elettronici, in particolare nei computer. Questo articolo mira a fornire una comprensione completa di CMOS, della sua storia, delle sue funzioni, delle sue applicazioni e dei concetti correlati.
Introduzione a CMOS
Cos'è CMOS?
CMOS sta per Semiconduttore a Ossido Metallico Complementare, una tecnologia che utilizza coppie di MOSFET (Transistor a Effetto di Campo Semiconduttore a Ossido Metallico) di tipo p e di tipo n per funzioni logiche. Questa tecnologia è ampiamente utilizzata nella costruzione di circuiti integrati (CI), inclusi microprocessori, microcontrollori, chip di memoria e circuiti logici digitali.
Caratteristiche dei dispositivi CMOS
Due caratteristiche significative dei dispositivi CMOS sono l’elevata immunità al rumore e il basso consumo di energia statica. Poiché un transistor della coppia MOSFET è sempre spento, la combinazione in serie assorbe energia in modo significativo solo momentaneamente durante la commutazione tra stati on e off. Di conseguenza, i dispositivi CMOS generano meno calore di scarto rispetto ad altre forme di logica, come la logica NMOS o la logica transistor-transistor (TTL). Queste caratteristiche consentono a CMOS di integrare un’elevata densità di funzioni logiche su un chip, rendendolo il processo di fabbricazione MOSFET dominante per i chip a integrazione su larga scala (VLSI).
Storia di CMOS
Origini e sviluppo
Il concetto di simmetria complementare fu introdotto per la prima volta da George Sziklai nel 1953. Tuttavia, il processo CMOS fu concepito da Frank Wanlass presso Fairchild Semiconductor e presentato da Wanlass e Chih-Tang Sah alla International Solid-State Circuits Conference nel 1963. Wanlass depositò successivamente un brevetto statunitense per i circuiti CMOS, che fu concesso nel 1967.
Commercializzazione e adozione
RCA commercializzò la tecnologia con il marchio “COS-MOS” alla fine degli anni ’60, costringendo altri produttori a trovare un altro nome, portando “CMOS” a diventare il nome standard per la tecnologia all’inizio degli anni ’70. CMOS ha superato la logica NMOS come processo di fabbricazione MOSFET dominante per i chip VLSI negli anni ’80, sostituendo anche la precedente tecnologia a transistor-transistor (TTL).
Negli anni ’90, tecnologie di processo più avanzate come STI e Salicide (siliciuro metallico) furono applicate alla tecnologia di processo CMOS. Con il continuo sviluppo della tecnologia di processo, le dimensioni delle caratteristiche dei dispositivi CMOS furono gradualmente ridotte in proporzione. La velocità di lavoro del circuito integrato del processo CMOS è continuamente migliorata e, allo stesso tempo, è possibile selezionare una tensione di alimentazione inferiore e le prestazioni del circuito integrato del processo CMOS possono già competere con il circuito integrato del processo bipolare.
Nel XXI secolo, con il rapido sviluppo della tecnologia di processo CMOS, i vantaggi dei circuiti integrati del processo CMOS sono stati evidenziati, come l’elevata integrazione, la forte capacità anti-interferenza, l’alta velocità, il basso consumo di energia statica, l’ampia gamma di tensione di alimentazione e l’ampia gamma di tensione di uscita hanno fatto avanzare a grandi passi la tecnologia di progettazione di circuiti integrati analogici. Grazie ai vantaggi della tecnologia di processo CMOS in molti aspetti, è diventata la tecnologia preferita per circuiti digitali, circuiti analogici e circuiti ibridi digitali-analogici. Fino al 2011, il 99% dei chip IC, inclusi la maggior parte dei chip digitali, analogici e a segnale misto, è stato fabbricato utilizzando la tecnologia CMOS.
Processo CMOS
CMOS è la fabbricazione di NMOS e PMOS sullo stesso chip per formare un circuito integrato. La tecnologia di processo CMOS utilizza circuiti complementari simmetrici per configurare e collegare PMOS e NMOS per formare un circuito logico. Il consumo di energia statica di questo circuito è quasi zero. Questa teoria può risolvere bene il problema del consumo di energia, questa scoperta ha posto le basi teoriche per lo sviluppo della tecnologia di processo CMOS.
Circuito Inverter CMOS
La figura seguente mostra un circuito inverter CMOS composto da PMOS e NMOS, solo quando la porta di ingresso cambia da livello basso (VSS) a livello alto (VDD) o da livello alto (VDD) a livello basso (VSS) Al momento della transizione, NMOS e PMOS si accenderanno contemporaneamente e verrà generata una corrente tra VDD e VSS, generando così un consumo di energia. Quando la porta di ingresso è a livello basso, solo il PMOS è acceso e quando la porta di ingresso è a livello alto, solo l’NMOS è acceso e non verrà generata alcuna corrente tra VDD e VSS, quindi il consumo di energia statica è zero.
Struttura del latch CMOS
La figura seguente mostra la struttura del latch PNPN parassita nel circuito inverter CMOS. Quando c’è rumore alla porta di uscita, ciò causerà il transistor bipolare parassita PNP o NPN a condurre, e quindi formerà una corrente di conduzione per fluire attraverso il resistore Rp o Rn viene formato un feedback positivo, causando l’accensione di un altro transistor bipolare parassita e, in questo momento, i due transistor bipolari parassiti si accendono contemporaneamente per formare un percorso a bassa impedenza di latch-up, che brucia il chip. I vantaggi della tecnologia di processo CMOS sono la piccola dissipazione di potenza e l’elevata tolleranza al rumore, quindi la tecnologia di processo CMOS iniziale è utilizzata principalmente in campi elettronici come giocattoli, orologi e calcolatrici che possono tollerare velocità più lente.
CMOS nei computer
Memoria CMOS
Nei computer, CMOS si riferisce a una piccola quantità di memoria sulla scheda madre che memorizza le impostazioni del BIOS (Basic Input Output System). Questa memoria contiene informazioni essenziali, tra cui l’ora e la data del sistema, nonché le impostazioni hardware.
Batteria CMOS
La memoria CMOS è alimentata da una batteria, in genere una cella CR2032 a forma di moneta, che fornisce alimentazione costante al chip. Questa batteria garantisce che la CMOS conservi i suoi dati anche quando il computer è spento. Una batteria CMOS dura generalmente circa 10 anni, ma potrebbe essere necessario sostituirla a seconda dell’utilizzo e dell’ambiente del computer.
Cancellazione CMOS
La cancellazione CMOS implica il ripristino delle impostazioni del BIOS ai loro livelli predefiniti, che può essere un utile passaggio per la risoluzione dei problemi per vari problemi del computer. Questo processo è spesso necessario se il computer si blocca, visualizza messaggi di errore relativi all’hardware o si verifica un guasto della batteria CMOS.
Applicazioni CMOS
Circuiti analogici
La tecnologia CMOS è utilizzata anche in circuiti analogici come sensori di immagine, convertitori di dati, circuiti RF (radio frequenza) e transceiver altamente integrati per vari tipi di comunicazione.
Sensori di immagine CMOS
Un sensore di immagine CMOS è un tipo di sensore di immagine utilizzato nelle fotocamere digitali per convertire le immagini in dati digitali.
Microprocessori e microcontrollori
La tecnologia CMOS è impiegata nello sviluppo di microprocessori e microcontrollori, che sono componenti essenziali di vari dispositivi elettronici.
CMOS vs. BIOS
Sebbene CMOS e BIOS siano strettamente correlati, svolgono funzioni diverse all’interno di un computer. Il BIOS è un chip del computer sulla scheda madre responsabile della comunicazione tra il processore e gli altri componenti hardware. Al contrario, CMOS è un chip RAM sulla scheda madre che memorizza le impostazioni del BIOS.
Consulta la seguente tabella per maggiori dettagli:
| 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 |
