ما هو CMOS: مبدأ العمل وتطبيقاته

ما هو CMOS: مبدأ العمل وتطبيقاته

يشير المصطلح CMOS إلى 'أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية'. هذه واحدة من أكثر التقنيات شيوعًا في صناعة تصميم رقائق الكمبيوتر وتستخدم على نطاق واسع اليوم لتشكيلها دوائر متكاملة في العديد من التطبيقات المتنوعة. تستفيد ذاكرات الكمبيوتر ووحدات المعالجة المركزية والهواتف المحمولة اليوم من هذه التقنية نظرًا للعديد من المزايا الرئيسية. تستفيد هذه التقنية من كل من قناة P وأجهزة أشباه الموصلات ذات القناة N. واحدة من أكثر تقنيات MOSFET شيوعًا المتاحة اليوم هي تقنية Complementary MOS أو CMOS. هذه هي تقنية أشباه الموصلات السائدة للمعالجات الدقيقة وشرائح المتحكم الدقيق والذكريات مثل ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة القراءة فقط EEPROM و الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs).

مقدمة في تقنية MOS

في تصميم IC ، المكون الأساسي والأكثر أهمية هو الترانزستور. لذا فإن MOSFET هو نوع واحد من الترانزستور المستخدم في العديد من التطبيقات. يمكن أن يتم تشكيل هذا الترانزستور مثل شطيرة من خلال تضمين طبقة أشباه الموصلات ، بشكل عام رقاقة ، شريحة من بلورة أحادية من السيليكون وطبقة من ثاني أكسيد السيليكون وطبقة معدنية. تسمح هذه الطبقات بتشكيل الترانزستورات داخل مادة أشباه الموصلات. عازل جيد مثل Sio2 له طبقة رقيقة بسماكة مائة جزيء.




الترانزستورات التي نستخدمها السيليكون متعدد الكريستالات (بولي) بدلاً من المعدن لأقسام بواباتها. يمكن استبدال بوابة البولي سيليكون لـ FET تقريبًا باستخدام بوابات معدنية في الدوائر المتكاملة واسعة النطاق. في بعض الأحيان ، يشار إلى كل من البولي سيليكون والمعدن FET على أنه IGFET وهو ما يعني بوابة FETs المعزولة ، لأن Sio2 أسفل البوابة هو عازل.



CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية)

الرئيسية ميزة CMOS على NMOS وتكنولوجيا BIPOLAR هي أصغر بكثير من تبديد الطاقة. على عكس دوائر NMOS أو BIPOLAR ، فإن دائرة MOS التكميلية لا تحتوي تقريبًا على تبديد طاقة ثابتة. تتبدد الطاقة فقط في حالة تبديل الدائرة فعليًا. هذا يسمح بدمج المزيد من بوابات CMOS على IC أكثر من NMOS أو تكنولوجيا القطبين ، مما أدى إلى أداء أفضل بكثير. يتكون ترانزستور أشباه الموصلات بأكسيد المعادن التكميلي من P-channel MOS (PMOS) و N-channel MOS (NMOS). يرجى الرجوع إلى الرابط لمعرفة المزيد عن عملية تصنيع الترانزستور CMOS .

CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية)

CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية)



NMOS

تم بناء NMOS على ركيزة من النوع p مع مصدر من النوع n واستنزاف منتشر عليه. في NMOS ، غالبية الموجات الحاملة هي إلكترونات. عندما يتم تطبيق جهد عالي على البوابة ، فإن NMOS ستعمل. وبالمثل ، عندما يتم تطبيق جهد منخفض على البوابة ، لن يتم إجراء NMOS. يعتبر NMOS أسرع من PMOS ، لأن الناقلات في NMOS ، وهي إلكترونات ، تسافر مرتين أسرع من الثقوب.

NMOS الترانزستور

NMOS الترانزستور

PMOS

تتكون P- channel MOSFET من مصدر من النوع P و Drain منتشر على ركيزة من النوع N. غالبية ناقلات الثقوب. عندما يتم تطبيق جهد عالي على البوابة ، فإن PMOS لن تعمل. عندما يتم تطبيق جهد منخفض على البوابة ، فإن PMOS ستعمل. تعد أجهزة PMOS أكثر مناعة ضد الضوضاء من أجهزة NMOS.




ترانزستور PMOS

ترانزستور PMOS

مبدأ عمل CMOS

في تقنية CMOS ، يتم استخدام كل من الترانزستورات من النوع N والنوع P لتصميم الوظائف المنطقية. يتم استخدام نفس الإشارة التي تعمل على ترانزستور من نوع واحد لإيقاف تشغيل ترانزستور من النوع الآخر. تسمح هذه الخاصية بتصميم الأجهزة المنطقية باستخدام مفاتيح بسيطة فقط ، دون الحاجة إلى مقاومة سحب.

في CMOS بوابات المنطق، بوابات منطقية يتم ترتيب مجموعة من وحدات MOSFET من النوع n في شبكة منسدلة بين الخرج وسكة إمداد الطاقة ذات الجهد المنخفض (Vss أو الأرض غالبًا). بدلاً من المقاوم للحمل للبوابات المنطقية NMOS ، تحتوي بوابات CMOS المنطقية على مجموعة من MOSFET من النوع p في شبكة سحب بين الخرج وسكة الجهد العالي (غالبًا ما تسمى Vdd).

CMOS باستخدام Pull Up & Pull Down

CMOS باستخدام Pull Up & Pull Down

وبالتالي ، إذا كان كل من الترانزستور من النوع p و n له بوابات متصلة بنفس المدخلات ، فسيتم تشغيل MOSFET من النوع p عندما يكون MOSFET من النوع n مغلقًا ، والعكس صحيح. يتم ترتيب الشبكات بحيث يكون أحدهما قيد التشغيل والآخر مغلق لأي نمط إدخال كما هو موضح في الشكل أدناه.

يوفر CMOS سرعة عالية نسبيًا ، وتبديد طاقة منخفض ، وهوامش ضوضاء عالية في كلتا الحالتين ، وسيعمل على نطاق واسع من جهد المصدر والمدخلات (بشرط أن يكون جهد المصدر ثابتًا). علاوة على ذلك ، من أجل فهم أفضل لمبدأ عمل أشباه الموصلات بأكسيد المعادن التكميلية ، نحتاج إلى مناقشة بوابات منطق CMOS بإيجاز كما هو موضح أدناه.

ما هي الأجهزة التي تستخدم CMOS؟

تُستخدم تقنية مثل CMOS في شرائح مختلفة مثل المتحكمات الدقيقة والمعالجات الدقيقة و SRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة) ودوائر المنطق الرقمي الأخرى. تُستخدم هذه التقنية في مجموعة واسعة من الدوائر التناظرية التي تشمل محولات البيانات وأجهزة استشعار الصور وأجهزة الإرسال والاستقبال المدمجة للغاية للعديد من أنواع الاتصالات.

CMOS العاكس

دائرة العاكس كما هو موضح في الشكل أدناه. إنها تتكون من PMOS و NMOS FET . المدخلات A بمثابة جهد البوابة لكلا الترانزستورات.

يحتوي ترانزستور NMOS على مدخلات من Vss (أرضي) ويتم إدخال ترانزستور PMOS من Vdd. المحطة Y هي الإخراج. عندما يتم إعطاء جهد عالٍ (~ Vdd) عند طرف الإدخال (A) للعاكس ، يصبح PMOS دائرة مفتوحة ، ويتم إيقاف تشغيل NMOS بحيث يتم سحب الإخراج لأسفل إلى Vss.

CMOS العاكس

CMOS العاكس

عندما جهد منخفض المستوى (

إدخال المدخلات المنطقية انتاج الإخراج المنطقي
0 ضد0Vdd1
Vdd10 ضد0

بوابة CMOS NAND

يوضح الشكل أدناه بوابة MOS NAND تكميلية ثنائية المدخلات. وهو يتألف من سلسلتين من الترانزستورات NMOS بين Y والأرضي وترانزستورين PMOS متوازيين بين Y و VDD.

إذا كان أي من الإدخال A أو B هو المنطق 0 ، فسيتم إيقاف تشغيل ترانزستورات NMOS واحدة على الأقل ، مما يؤدي إلى كسر المسار من Y إلى الأرض. لكن واحدًا على الأقل من ترانزستورات pMOS سيكون في وضع التشغيل ، مما يخلق مسارًا من Y إلى VDD.

اثنان مدخلات NAND بوابة

اثنان مدخلات NAND بوابة

ومن ثم ، سيكون الناتج Y مرتفعًا. إذا كان كلا المدخلين مرتفعين ، فسيكون كلا الترانزستورات nMOS قيد التشغيل وسيتم إيقاف تشغيل ترانزستورات pMOS. وبالتالي ، سيكون الناتج منطقيًا منخفضًا. جدول الحقيقة للبوابة المنطقية NAND الوارد في الجدول أدناه.

إلى ب شبكة منسدلة شبكة الانسحاب الإخراج ص
00إيقافتشغيل1
01إيقافتشغيل1
10إيقافتشغيل1
11تشغيلإيقاف0

بوابة CMOS NOR

يظهر في الشكل أدناه بوابة NOR ثنائية المدخلات. ترانزستورات NMOS متوازية لسحب المخرجات منخفضة عندما يكون أي من المدخلات مرتفعًا. ترانزستورات PMOS متسلسلة لسحب المخرجات عالياً عندما يكون كلا المدخلين منخفضين ، كما هو موضح في الجدول أدناه. الإخراج لا يترك عائمًا.

اثنان مدخلات NOR بوابة

اثنان مدخلات NOR بوابة

جدول الحقيقة للبوابة المنطقية NOR الوارد في الجدول أدناه.

إلى ب ص
001
010
100
110

تصنيع CMOS

يمكن تصنيع ترانزستورات CMOS على رقاقة السيليكون. يتراوح قطر الرقاقة من 20 مم إلى 300 مم. في هذا ، فإن عملية الطباعة الحجرية هي نفسها المطبعة. في كل خطوة ، يمكن ترسيخ مواد مختلفة ، محفورة بطريقة أخرى. هذه العملية سهلة الفهم للغاية من خلال عرض الجزء العلوي من الرقاقة وكذلك المقطع العرضي ضمن طريقة تجميع مبسطة. يمكن إنجاز تصنيع CMOS من خلال استخدام ثلاث تقنيات وهي N-well pt P-well و Twin well و SOI (Silicon on Insulator). يرجى الرجوع إلى هذا الرابط لمعرفة المزيد عن تصنيع CMOS .

عمر بطارية CMOS

يبلغ العمر الافتراضي لبطارية CMOS حوالي 10 سنوات. ولكن ، يمكن أن يتغير هذا بناءً على الاستخدام والبيئة المحيطة أينما كان الكمبيوتر الشخصي.

أعراض فشل بطارية CMOS

عندما تفشل بطارية CMOS ، يتعذر على الكمبيوتر الحفاظ على الوقت والتاريخ المحددين على الكمبيوتر بمجرد إيقاف تشغيله. على سبيل المثال ، بمجرد تشغيل الكمبيوتر ، قد ترى الوقت والتاريخ مثل 12:00 ظهرًا و 1 يناير 1990. هذا الخطأ يحدد أن بطارية CMOS معطلة.

  • تمهيد الكمبيوتر المحمول أمر صعب
  • يمكن إصدار صوت الصفير بشكل مستمر من اللوحة الأم للكمبيوتر
  • تمت إعادة تعيين الوقت والتاريخ
  • لا تستجيب الأجهزة الطرفية لأجهزة الكمبيوتر بشكل صحيح
  • اختفت برامج تشغيل الأجهزة
  • لا يمكن الاتصال بالإنترنت.

خصائص CMOS

أهم خصائص CMOS هي انخفاض استهلاك الطاقة الساكنة ، ومناعة ضخمة ضد الضوضاء. عندما يتم إيقاف تشغيل الترانزستور الفردي من زوج ترانزستور MOSFET ، فإن مجموعة السلسلة تستخدم طاقة كبيرة خلال التبديل بين الاثنين المذكورين مثل ON & OFF.

نتيجةً لذلك ، لا تولد هذه الأجهزة حرارة مهدرة مقارنةً بأنواع الدوائر المنطقية الأخرى مثل منطق TTL أو NMOS ، والتي عادةً ما تستخدم بعض التيار المستمر حتى أنها لا تغير حالتها.

ستسمح خصائص CMOS هذه بدمج الوظائف المنطقية بكثافة عالية في دائرة متكاملة. لهذا السبب ، أصبح CMOS أكثر التقنيات استخدامًا التي يتم تنفيذها داخل شرائح VLSI.

عبارة MOS هي إشارة إلى البنية الفيزيائية للـ MOSFET والتي تتضمن قطبًا كهربائيًا ببوابة معدنية موجودة في الجزء العلوي من عازل أكسيد لمادة أشباه الموصلات.

يتم استخدام مادة مثل الألمنيوم مرة واحدة فقط ولكن المادة أصبحت الآن بولي سيليكون. يمكن تصميم بوابات معدنية أخرى باستخدام العودة من خلال وصول مواد عالية العزل الكهربائي ضمن عملية CMOS.

CCD مقابل CMOS

تعد مستشعرات الصور مثل الجهاز المقترن بالشحن (CCD) وأشباه الموصلات المكونة من أكسيد المعادن (CMOS) نوعين مختلفين من التقنيات. تستخدم هذه لالتقاط الصورة رقميًا. كل مستشعر صورة له مميزاته وعيوبه وتطبيقاته.

الفرق الرئيسي بين CCD و CMOS هو طريقة التقاط الإطار. يستخدم جهاز مقترن بالشحن مثل CCD مصراعًا شاملاً بينما يستخدم CMOS مصراعًا دوارًا. يغير مستشعر الصورة هذين الشحنة من ضوء إلى كهربائي ويعالجها إلى إشارات إلكترونية.

تعتبر عملية التصنيع المستخدمة في أجهزة CCD خاصة لتشكيل القدرة على نقل الشحنة عبر IC دون تغيير. لذلك ، يمكن أن تؤدي عملية التصنيع هذه إلى مستشعرات عالية الجودة للغاية حول حساسية الضوء والدقة.

في المقابل ، تستخدم رقائق CMOS إجراءات تصنيع ثابتة لتصميم الرقاقة ويمكن أيضًا استخدام عملية مماثلة في صنع المعالجات الدقيقة. بسبب الاختلافات في التصنيع ، هناك بعض الاختلافات الواضحة بين المستشعرات مثل CCD 7 CMOS.

ستلتقط مستشعرات CCD الصور بضوضاء أقل وجودة عالية بينما تكون مستشعرات CMOS عادة أكثر عرضة للضوضاء.

عادة ، يستخدم CMOS طاقة أقل بينما يستخدم CCD الكثير من الطاقة مثل أكثر من 100 مرة لمستشعر CMOS.

يمكن تصنيع رقائق CMOS على أي خط إنتاج Si نموذجي لأنها تميل إلى أن تكون رخيصة جدًا مقارنة بأجهزة CCD. تعتبر مستشعرات CCD أكثر نضجًا لأنها تنتج بكميات كبيرة لفترة طويلة.

تعتمد كل من أجهزة التصوير CMOS و CCD على تأثير الكهروضوئية لتكوين إشارة كهربائية من الضوء

بناءً على الاختلافات المذكورة أعلاه ، تُستخدم أجهزة CCD في الكاميرات لاستهداف صور عالية الجودة من خلال الكثير من وحدات البكسل وحساسية الضوء المتميزة. عادةً ما تكون مستشعرات CMOS أقل دقة وجودة وحساسية.
في بعض التطبيقات ، تتحسن مستشعرات CMOS مؤخرًا إلى النقطة التي تحقق فيها المساواة تقريبًا مع أجهزة CCD. بشكل عام ، كاميرات CMOS ليست باهظة الثمن وتتمتع بعمر طويل للبطارية.

مزلاج في CMOS

يمكن تعريف المزلاج على أنه عندما تحدث دائرة كهربائية قصيرة بين المحطتين مثل الطاقة والأرض بحيث يمكن توليد تيار عالٍ ويمكن أن يتلف IC. في CMOS ، المزلاج هو حدوث ممر منخفض المقاومة بين سكة الطاقة والسكك الحديدية الأرضية بسبب الاتصال بين الترانزستورين مثل PNP و NPN الترانزستورات .

في دائرة CMOS ، يتم توصيل ترانزستورين مثل PNP & NPN بقضبان إمداد مثل VDD & GND. يمكن حماية هذه الترانزستورات من خلال المقاومات.

في نقل المزلاج ، سيتدفق التيار من VDD إلى GND مباشرة عبر الترانزستورين بحيث يمكن أن تحدث دائرة قصر ، وبالتالي سيتدفق التيار المتطرف من VDD إلى الطرف الأرضي.

هناك طرق مختلفة لمنع الالتحام

في منع الالتحام ، يمكن وضع مقاومة عالية في الممر لإيقاف تدفق التيار خلال العرض ولجعل β1 * β2 أقل من 1 باستخدام الطرق التالية.

سيتم منقار بنية SCR الطفيلية في محيط الترانزستورات مثل PMOS و NMOS من خلال طبقة أكسيد عازلة. ستعمل تقنية حماية المزلاج على إيقاف تشغيل الجهاز بمجرد ملاحظة المزلاج.

يمكن إجراء خدمات اختبار المزلاج بواسطة العديد من البائعين في السوق. يمكن إجراء هذا الاختبار من خلال سلسلة من المحاولات لتنشيط بنية SCR في CMOS IC بينما يتم فحص المسامير ذات الصلة عند تدفق التيار الزائد خلالها.

ينصح بالحصول على العينات الأولى من الدفعة التجريبية وإرسالها إلى معمل اختبار Latch-up. سيطبق هذا المعمل أقصى قدر من إمدادات الطاقة التي يمكن تحقيقها ، ثم يوفر الإمداد الحالي لمدخلات ومخرجات الشريحة كلما حدث Latch-up من خلال مراقبة الإمداد الحالي.

مزايا

تشمل مزايا CMOS ما يلي.

الفوائد الرئيسية لـ CMOS عبر TTL هي هامش ضوضاء جيد بالإضافة إلى استهلاك أقل للطاقة. ويرجع ذلك إلى عدم وجود ممر موصل مستقيم من VDD إلى GND ، وأوقات السقوط بناءً على ظروف الإدخال ، ثم يصبح نقل الإشارة الرقمية سهلًا ومنخفض التكلفة من خلال شرائح CMOS.

يستخدم CMOS لشرح مقدار الذاكرة على اللوحة الأم للكمبيوتر التي سيتم تخزينها في إعدادات BIOS. تتضمن هذه الإعدادات بشكل أساسي التاريخ والوقت وإعدادات الأجهزة
TTL عبارة عن دائرة منطقية رقمية حيث تعمل الترانزستورات ثنائية القطب على نبضات التيار المستمر. عادة ما تتكون العديد من بوابات منطق الترانزستور من دائرة متكاملة واحدة.

المخرجات إذا كان CMOS يقود بنشاط في كلا الاتجاهين

  • يستخدم مصدر طاقة واحد مثل + VDD
  • هذه البوابات بسيطة للغاية
  • مقاومة المدخلات عالية
  • يستخدم منطق CMOS طاقة أقل عندما يتم الاحتفاظ بها في حالة محددة
  • تبديد الطاقة لا يكاد يذكر
  • مروحة عالية
  • التوافق مع TTL
  • استقرار درجة الحرارة
  • المناعة ضد الضوضاء جيدة
  • المدمج
  • التصميم جيد جدا
  • قوي ميكانيكيا
  • التأرجح المنطقي كبير (VDD)

سلبيات

تشمل عيوب CMOS ما يلي.

  • ستزداد التكلفة بمجرد زيادة خطوات المعالجة ، ومع ذلك ، يمكن حلها.
  • كثافة التعبئة لـ CMOS منخفضة بالمقارنة مع NMOS.
  • يجب تأمين رقائق MOS من الحصول على رسوم ثابتة عن طريق تحديد الخيوط القصيرة وإلا ستؤدي الشحنات الثابتة التي يتم الحصول عليها داخل الخيوط إلى إتلاف الشريحة. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تضمين الدوائر الواقية أو الأجهزة.
  • عيب آخر في عاكس CMOS هو أنه يستخدم ترانزستورين بدلاً من NMOS لبناء عاكس ، مما يعني أن CMOS يستخدم مساحة أكبر على الشريحة مقارنةً بـ NMOS. هذه العيوب صغيرة بسبب التقدم في تقنية CMOS.

تطبيقات CMOS

تم تنفيذ عمليات MOS التكميلية على نطاق واسع واستبدلت بشكل أساسي العمليات NMOS والعمليات ثنائية القطب لجميع تطبيقات المنطق الرقمي تقريبًا. تم استخدام تقنية CMOS لتصميمات الدوائر المتكاملة الرقمية التالية.

  • ذاكرات الكمبيوتر ووحدات المعالجة المركزية
  • تصاميم المعالجات الدقيقة
  • تصميم رقاقة ذاكرة فلاش
  • تستخدم لتصميم الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs)

وهكذا ، فإن الترانزستور CMOS مشهور جدًا لأنهم يستخدمون الطاقة الكهربائية بكفاءة. لا يستخدمون التيار الكهربائي عندما يغيرون من حالة إلى أخرى. أيضًا ، تعمل أشباه الموصلات التكميلية بشكل متبادل لإيقاف جهد o / p. والنتيجة هي تصميم منخفض الطاقة يوفر حرارة أقل ، ولهذا السبب ، فقد غيرت هذه الترانزستورات تصميمات أخرى سابقة مثل CCD داخل مستشعرات الكاميرا وتستخدم في معظم المعالجات الحالية. ذاكرة CMOS داخل الكمبيوتر هي نوع من ذاكرة الوصول العشوائي غير المتطايرة التي تخزن إعدادات BIOS ومعلومات الوقت والتاريخ.

أعتقد أن لديك فهمًا أفضل لهذا المفهوم. علاوة على ذلك ، فإن أي استفسارات بخصوص هذا المفهوم أو مشاريع الإلكترونيات ، يرجى تقديم اقتراحاتكم القيمة من خلال التعليق في قسم التعليقات أدناه. هنا سؤال لك ، لماذا يفضل CMOS على NMOS؟