CMOS (Komplementer Metal Oksit Yarıiletken), çeşitli elektronik cihazlarda, özellikle de bilgisayarlarda hayati öneme sahip bir bileşendir. Bu makale, CMOS, tarihçesi, işlevleri, uygulamaları ve ilgili kavramlar hakkında kapsamlı bir bilgi sunmayı amaçlamaktadır.
CMOS'a Giriş
CMOS nedir?
CMOS, mantık işlevleri için p-tipi ve n-tipi MOSFET (Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Transistör) çiftlerini kullanan bir teknoloji olan Komplementer Metal Oksit Yarıiletken'in kısaltmasıdır. Bu teknoloji, mikroişlemciler, mikrodenetleyiciler, bellek yongaları ve dijital mantık devreleri dahil olmak üzere entegre devrelerin (IC) yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
CMOS Aygıtlarının Özellikleri
CMOS cihazlarının iki önemli özelliği, yüksek gürültü bağışıklığı ve düşük statik güç tüketimidir. MOSFET çiftindeki transistörlerden biri her zaman kapalı durumda olduğundan, seri bağlantı yalnızca açık ve kapalı durumlar arasında geçiş sırasında anlık olarak önemli miktarda güç tüketir. Sonuç olarak, CMOS cihazları, NMOS mantığı veya transistör-transistör mantığı (TTL) gibi diğer mantık türlerine kıyasla daha az atık ısı üretir. Bu özellikler, CMOS'un bir çip üzerine yüksek yoğunlukta mantık işlevlerini entegre etmesini sağlar ve onu çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) çipleri için baskın MOSFET üretim süreci haline getirir.
CMOS'un Tarihçesi
Kökenleri ve Gelişimi
Tamamlayıcı simetri kavramı ilk olarak 1953 yılında George Sziklai tarafından ortaya atılmıştır. Bununla birlikte, CMOS teknolojisi Fairchild Semiconductor’da Frank Wanlass tarafından geliştirilmiş ve 1963 yılında Uluslararası Katı Hal Devreleri Konferansı’nda Wanlass ve Chih-Tang Sah tarafından sunulmuştur. Wanlass daha sonra CMOS devreleri için bir ABD patenti başvurusunda bulunmuş ve bu patent 1967 yılında onaylanmıştır.
Ticarileştirme ve Benimseme
RCA, 1960'ların sonlarında bu teknolojiyi "COS-MOS" markasıyla piyasaya sürdü; bu durum diğer üreticileri başka bir isim bulmaya zorladı ve sonuç olarak 1970'lerin başlarında "CMOS" bu teknolojinin standart adı haline geldi. CMOS, 1980'lerde VLSI yongaları için baskın MOSFET üretim süreci olarak NMOS mantığını geride bıraktı ve aynı zamanda önceki transistör-transistör mantığı (TTL) teknolojisinin yerini aldı.
1990'larda, STI ve Salicide (metal silisid) gibi daha gelişmiş işlem teknolojileri CMOS işlem teknolojisine uygulandı. İşlem teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte, CMOS cihazlarının özellik boyutu orantılı olarak kademeli olarak küçültüldü. CMOS işlemli entegre devrenin çalışma hızı sürekli olarak iyileştirilmekte ve aynı zamanda daha düşük bir güç kaynağı voltajı seçilebilmekte olup, CMOS işlemli entegre devrenin performansı halihazırda bipolar işlemli entegre devre ile rekabet edebilmektedir.
21. yüzyılda, CMOS proses teknolojisinin hızlı gelişmesiyle birlikte, yüksek entegrasyon, güçlü parazit önleme yeteneği, yüksek hız, düşük statik güç tüketimi, geniş güç kaynağı voltaj aralığı ve geniş çıkış voltaj aralığı gibi CMOS proses entegre devrelerinin avantajları öne çıkmıştır. Bu özellikler, analog entegre devre tasarım teknolojisinin büyük bir sıçrama kaydetmesini sağlamıştır. CMOS işlem teknolojisinin birçok açıdan sağladığı avantajlar nedeniyle, dijital devreler, analog devreler ve dijital-analog hibrit devreler için tercih edilen teknoloji haline gelmiştir. 2011 itibariyle, çoğu dijital, analog ve karışık sinyal IC'leri dahil olmak üzere IC yongalarının %99'u CMOS teknolojisi kullanılarak üretilmiştir.
CMOS Süreci
CMOS, entegre devre oluşturmak üzere aynı yonga üzerinde NMOS ve PMOS üretmeyi amaçlamaktadır. CMOS üretim teknolojisi, bir mantık devresi oluşturmak üzere PMOS ve NMOS’u yapılandırmak ve birbirine bağlamak için tamamlayıcı simetrik devreler kullanır. Bu devrenin statik güç tüketimi neredeyse sıfırdır. Bu teori, güç tüketimi sorununu etkili bir şekilde çözebilmekte olup, bu keşif CMOS üretim teknolojisinin gelişimi için teorik bir temel oluşturmuştur.
CMOS İnvertör Devresi
Aşağıdaki şekilde, PMOS ve NMOS'tan oluşan bir CMOS invertör devresi gösterilmektedir. Bu devrede, yalnızca giriş portu düşük seviyeden (VSS) yüksek seviyeye (VDD) veya yüksek seviyeden (VDD) düşük seviyeye (VSS) geçtiğinde, geçiş anında NMOS ve PMOS aynı anda açılır ve VDD ile VSS arasında bir akım oluşur; bu da güç tüketimine neden olur. Giriş portu düşük seviyedeyken sadece PMOS açılır ve giriş portu yüksek seviyedeyken sadece NMOS açılır ve VDD ile VSS arasında akım oluşmaz, bu nedenle statik güç tüketimi sıfırdır.
CMOS kilit yapısı
Aşağıdaki şekil, CMOS invertör devresindeki parazitik PNPN kilit yapısını göstermektedir. Çıkış bağlantı noktasında gürültü olduğunda, bu durum parazitik PNP veya NPN bipolar transistörünün iletken hale gelmesine ve ardından direnç Rp veya Rn üzerinden akan bir iletim akımı oluşturmasına neden olur. Böylece pozitif geri besleme oluşur ve başka bir parazitik bipolar transistörün açılmasına yol açar; bu sırada, iki parazitik bipolar transistör aynı anda açılır ve bir latch-up düşük empedans yolu oluşturur, bu da çipi yakar. CMOS işlem teknolojisinin avantajları, düşük güç kaybı ve yüksek gürültü toleransıdır, bu nedenle erken dönem CMOS işlem teknolojisi, daha düşük hızlara tolerans gösterebilen oyuncaklar, saatler ve hesap makineleri gibi elektronik alanlarda kullanılır.
Bilgisayarlarda CMOS
CMOS Bellek
Bilgisayarlarda CMOS, anakart üzerinde bulunan ve BIOS (Temel Giriş Çıkış Sistemi) ayarlarını depolayan küçük bir bellek alanını ifade eder. Bu bellek, sistem saati ve tarihi ile donanım ayarları dahil olmak üzere temel bilgileri içerir.
CMOS Pili
CMOS belleği, çipe sürekli güç sağlayan bir pil (genellikle madeni para büyüklüğünde bir CR2032 pil) ile çalışır. Bu pil, bilgisayar kapalıyken bile CMOS'un verilerini korumasını sağlar. Bir CMOS pili genellikle yaklaşık 10 yıl dayanır, ancak bilgisayarın kullanım şekline ve bulunduğu ortama bağlı olarak değiştirilmesi gerekebilir.
CMOS'u Sıfırlama
CMOS'u temizlemek, BIOS ayarlarını varsayılan değerlerine sıfırlamayı içerir ve bu, çeşitli bilgisayar sorunlarının giderilmesinde yararlı bir adım olabilir. Bilgisayarın donması, donanımla ilgili hata mesajları veya CMOS pilinin arızalanması gibi durumlarda bu işlem genellikle gereklidir.
CMOS Uygulamaları
Analog Devreler
CMOS teknolojisi, görüntü sensörleri, veri dönüştürücüler, RF (radyo frekansı) devreleri ve çeşitli iletişim türleri için yüksek entegrasyonlu alıcı-vericiler gibi analog devrelerde de kullanılmaktadır.
CMOS Görüntü Sensörleri
CMOS görüntü sensörü, dijital kameralarda görüntüleri dijital verilere dönüştürmek için kullanılan bir görüntü sensörü türüdür.
Mikroişlemciler ve Mikrodenetleyiciler
CMOS teknolojisi, çeşitli elektronik cihazların vazgeçilmez bileşenleri olan mikroişlemcilerin ve mikrodenetleyicilerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır.
CMOS ve BIOS
CMOS ve BIOS birbiriyle yakından ilişkili olsa da, bilgisayar içinde farklı işlevlere sahiptir. BIOS, anakart üzerinde bulunan ve işlemci ile diğer donanım bileşenleri arasındaki iletişimi sağlayan bir bilgisayar yongasıdır. Buna karşılık CMOS, anakart üzerinde bulunan ve BIOS ayarlarını depolayan bir RAM yongasıdır.
Daha fazla ayrıntı için aşağıdaki tabloya bakın:
| 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 |
