CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor structure; anglicky CMOS, komplementární metal-oxide-semiconductor ) je soubor polovodičových technologií pro stavbu integrovaných obvodů a odpovídajících obvodů mikroobvodů. Naprostá většina moderních digitálních obvodů jsou CMOS.
V obecnějším případě je název CMDS (metal-dielectric-semiconductor structure). Technologie CMOS využívá izolované hradlové tranzistory s efektem pole s kanály různé vodivosti. Charakteristickým rysem obvodů CMOS oproti bipolárním technologiím ( TTL , ECL atd.) je velmi nízká spotřeba energie ve statickém režimu (ve většině případů lze uvažovat o spotřebě energie pouze při přepínání logických stavů). Charakteristický rys struktury CMOS ve srovnání s jinými strukturami MOS ( N-MOS , P-MOS) je přítomnost n- a p-kanálových tranzistorů s efektem pole umístěných na jednom místě krystalu. Díky menší vzdálenosti mezi prvky mají obvody CMOS vyšší rychlost a nižší spotřebu, ale zároveň se vyznačují složitějším výrobním procesem a nižší hustotou balení na povrchu krystalu.
Diskrétní izolované hradlové tranzistory s řízeným polem (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect tranzistor) se vyrábějí podobnou technologií.
CMOS obvody vynalezl Frank Wonlas z Fairchild Semiconductor v roce 1963 , první CMOS čipy byly vytvořeny v roce 1968 . Po dlouhou dobu byl CMOS považován za energeticky úspornou, ale pomalou alternativu k TTL , takže čipy CMOS si našly cestu do elektronických hodinek, kalkulaček a dalších zařízení napájených bateriemi, kde byla spotřeba energie kritická.
V roce 1990, se zvýšením stupně integrace mikroobvodů, vyvstal problém rozptylu energie na prvcích. Výsledkem je, že technologie CMOS byla ve vítězné pozici. Postupem času bylo dosaženo spínacích rychlostí a hustoty zapojení, které nebyly dosažitelné v technologiích založených na bipolárních tranzistorech .
Časné obvody CMOS byly velmi citlivé na elektrostatický výboj . Nyní je tento problém z velké části vyřešen, ale při osazování čipů CMOS se doporučuje provést opatření k odstranění elektrických nábojů.
Hliník byl v raných fázích používán k výrobě hradel v buňkách CMOS . Později, v souvislosti s nástupem tzv. self-aligned technologie, která předpokládala použití brány nejen jako konstrukčního prvku, ale zároveň jako masky při získávání regionů drain-source, se začal používat polykrystalický křemík k použití jako brána .
Uvažujme například hradlový obvod 2I-NOT vytvořený pomocí technologie CMOS.
V obvodu nejsou žádné zatěžovací odpory , takže ve statickém stavu protékají obvodem CMOS pouze svodové proudy přes uzavřené tranzistory a spotřeba energie je velmi nízká. Při spínání se elektrická energie vynakládá především na dobíjení kapacit hradel a vodičů, takže spotřebovaný (a rozptýlený) výkon je úměrný frekvenci těchto spínání (například taktovací frekvenci procesoru ).
Konfigurační obrázek pro čip 2I-NOT ukazuje, že používá dva dvoubránové tranzistory s efektem pole s různými typy kanálové vodivosti. Horní dvoubránový FET řídí bránu vysoko, pokud je některá brána nízká, a spodní dvoubránový FET řídí bránu vysoko, pokud jsou obě brány vysoké.
Je třeba poznamenat, že vzhledem k tomu, že přepínání n-kanálových a p-kanálových tranzistorů má konečnou dobu, mohou být oba typy tranzistorů na krátkou dobu otevřeny a mezi silovými obvody dochází k pulznímu průchozímu proudu. To vede ke zvýšení spotřeby energie.
Protože hradla tranzistorů MIS mají velký vstupní odpor, může elektrostatický výboj vést k poruše hradla a selhání mikroobvodu. Pro ochranu před statickou elektřinou je každý pin čipu CMOS vybaven ochranným obvodem, který obsahuje diody s nízkým průrazným napětím, spojující každý vstup s napájecími lištami.
Pro flexibilnější použití má řada výrobců také speciální rodiny, ve kterých každý IC obsahuje pouze 1 logický prvek v 5..6pinovém pouzdře, což je užitečné pro návrhy s malým počtem různých prvků a minimální velikostí desky ( například: 74LVC1G00GW od NXP ; SOT353 -1 Single 2-Input Positive-AND Gate )
| Logické čipy | |
|---|---|