Une introduction à la technologie CMOS
2024-07-09 6605

L'évolution de l'électronique numérique a été façonnée par le développement de la technologie complémentaire de l'oxyde de métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS).Émergent en réponse à la nécessité de vitesses de traitement plus rapides et de consommation d'énergie plus efficace, la technologie CMOS a révolutionné la conception de circuits avec son approche innovante pour gérer la puissance et l'intégrité du signal.Contrairement aux dispositifs de transistor de jonction bipolaire (BJT), qui dépendent du flux de courant, les dispositifs CMOS utilisent des mécanismes contrôlés par tension qui réduisent considérablement le courant de porte, minimisant ainsi la perte de puissance.Cette technologie a d'abord gagné du terrain dans l'électronique grand public dans les années 1970, comme dans les montres électroniques, mais c'est l'avènement d'une intégration à grande échelle (VLSI) dans les années 1980 qui a vraiment cimenté la position des CMOS comme pierre angulaire dans l'électronique moderne.L'ère a vu la technologie CMOS améliorant la fiabilité du circuit, la résistance au bruit et les performances à travers des températures et des tensions variables tout en simplifiant le processus de conception global.Ces améliorations ont non seulement augmenté le nombre de transistors de milliers à des millions sur une seule puce, mais a également étendu les fonctionnalités des CMOS à des conceptions VLSI numériques et mixtes, surpassant les technologies plus anciennes comme la logique de transistor transistorOpérations de tension inférieure.

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Compréhension de la technologie CMOS

Le développement de la technologie complémentaire de l'oxyde de métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) a fait partie de la conception de circuits numériques.Il est apparu principalement en raison de la nécessité d'un traitement plus rapide et d'une consommation d'énergie plus rapide.Contrairement aux dispositifs de transistor de jonction bipolaire (BJT), qui dépendent du flux de courant, CMOS utilise des mécanismes contrôlés par la tension.La principale différence aide à réduire le courant à la porte, réduisant considérablement la perte de puissance.Dans les années 1970, CMOS était principalement utilisé dans l'électronique grand public, comme les montres électroniques.

Le paysage a changé dans les années 1980 avec l'avènement de la technologie d'intégration à très grande échelle (VLSI), qui a fortement adopté les CMO pour plusieurs raisons.CMOS utilise moins de puissance, offre une meilleure résistance au bruit et fonctionne bien à travers différentes températures et tensions.Il simplifie également la conception du circuit qui augmente la fiabilité et la flexibilité.Ces fonctionnalités ont permis une énorme augmentation de la densité d'intégration des puces basées sur CMOS, passant de milliers à des millions de transistors par puce.

Aujourd'hui, les CMOS sont utiles aux conceptions VLSI numériques et mixtes, surperformant des technologies plus anciennes comme la logique de transistor-transistor (TTL) en raison de sa vitesse et de sa efficacité supérieures à des tensions inférieures.Son utilisation généralisée met en évidence l'impact transformateur de CMOS sur l'électronique moderne, ce qui en fait la technologie incontournable pour tout, des gadgets de tous les jours aux systèmes de calcul avancés.

Figure 1: Utiliser pour équilibrer les caractéristiques électriques

Principe de travail de CMOS

Le principe central de la technologie complémentaire de la technologie de semi-conducteur de métal-oxyde (CMOS) utilise une paire de transistors de type N et de type P pour créer des circuits logiques efficaces.Un seul signal d'entrée contrôle le comportement de commutation de ces transistors, en activant l'un tout en éteignant l'autre.Cette conception élimine le besoin de résistances de traction traditionnelles utilisées dans d'autres technologies de semi-conducteurs, simplifiant la conception et améliorant l'efficacité énergétique.

Dans une configuration CMOS, les MOSFET de type N (transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) forment un réseau déroulant reliant la sortie de la porte logique à une alimentation basse tension, généralement la masse (VSS).Cela remplace les résistances de charge dans les anciens circuits logiques du NMOS, qui étaient moins efficaces pour gérer les transitions de tension et plus sujets à la perte de puissance.Inversement, les MOSFET de type P créent un réseau de traction qui connecte la sortie à une alimentation de tension plus élevée (VDD).Cet arrangement à double réseau garantit que la sortie est contrôlée de manière stable et prévisible pour une entrée donnée.

Lorsque la porte d'un MOSFET de type P est activée, il s'allume tandis que le MOSFET de type N correspondant s'éteint, et vice versa.Cette interaction simplifie non seulement l'architecture de circuit, mais améliore également la fiabilité opérationnelle et la fonctionnalité de l'appareil.La technologie CMOS est bénéfique pour les utilisateurs qui ont besoin de systèmes électroniques fiables et efficaces.

Figure 2: Introduction à CMOS Tech

L'onduleur

L'onduleur est un élément principal de la conception de circuits numériques, en particulier pour les opérations arithmétiques et logiques binaires.La fonction principale est d'inverser le signal d'entrée dans les niveaux de logique binaire.En termes simples, un «0» est considéré comme bas ou zéro volts, et un «1» est élevé ou v volts.Lorsqu'un onduleur reçoit une entrée de 0 volts, il sortira V volts et lorsqu'il reçoit V Volts, il sortira 0 volts.

Une table de vérité démontre généralement la fonction de l'onduleur en répertoriant toutes les entrées possibles et leurs sorties correspondantes.Ce tableau montre clairement qu'une entrée de «0» produit une sortie de «1», et une entrée de «1» se traduit par une sortie de «0».Ce processus d'inversion est requis pour les décisions logiques et le traitement des données dans les systèmes informatiques et numériques.

L'opération de l'onduleur est requise pour des interactions numériques plus complexes.Il permet l'exécution fluide des tâches de calcul de niveau supérieur et aide à gérer efficacement le flux de données dans les circuits.

Tableau 1: Table de vérité de l'onduleur

L'onduleur CMOS

L'onduleur CMOS est un modèle d'efficacité en électronique, avec une conception simple avec les transistors NMOS et PMOS connectés en série.Leurs portes sont liées ensemble comme entrée, et leurs drains sont connectés pour former la sortie.Cet arrangement réduit la dissipation de puissance, optimisant le circuit pour l'efficacité énergétique.

Lorsque le signal d'entrée est élevé (logique «1»), le transistor NMOS s'allume, conduisant le courant et tirant la sortie à un état bas (logique «0»).Dans le même temps, le transistor PMOS est désactivé, isolant l'alimentation positive de la sortie.Inversement, lorsque l'entrée est faible (logique '0'), le transistor des NMOS s'éteint et le transistor PMOS s'allume, entraînant la sortie à un état élevé (logique '1').

Cette coordination entre les transistors NMOS et PMOS permet à l'onduleur de maintenir la sortie stable malgré les ions de tension d'entrée V ariat.En s'assurant qu'un transistor est toujours éteint pendant que l'autre est allumé, l'onduleur CMOS conserve la puissance et empêche un chemin électrique direct de l'alimentation du sol.Il aidera à prévenir le drain de puissance inutile.Cette configuration à double transistor définit le rôle principal de l'onduleur CMOS dans les circuits numériques, fournissant une inversion logique fiable avec une consommation d'énergie minimale et une intégrité élevée du signal.

Figure 3: portes logiques CMOS

L'onduleur NMOS

L'onduleur NMOS est construit en utilisant une configuration simple et efficace.Dans cette configuration, la porte sert d'entrée, le drain fonctionne comme la sortie, et la source et le substrat sont mis à la terre.Le noyau de cet arrangement est un MOSFET à canal N de type N.Une tension positive est appliquée au drain à travers une résistance de charge pour établir le biais droit.

Lorsque l'entrée de la porte est mise à la terre, représentant une logique «0», aucune tension n'est présente à la porte.Ce manque de tension empêche un canal conducteur de se former dans le MOSFET, ce qui en fait un circuit ouvert avec une résistance élevée.En conséquence, le courant minimal circule du drain vers la source, provoquant une augmentation de la tension de sortie près de + V, ce qui correspond à une logique «1».Lorsqu'une tension positive est appliquée à la porte, elle attire des électrons vers l'interface d'oxyde de porte, formant un canal de type N.Ce canal réduit la résistance entre la source et le drain, permettant au courant de s'écouler et de déposer la tension de sortie à presque le niveau du sol, ou la logique «0».

Cette opération montre l'onduleur des NMOS comme un dispositif de débordement efficace, utile pour les tâches de commutation binaires.Il est utile de reconnaître que cette configuration a tendance à consommer plus de puissance à l'état «On».L'augmentation de la consommation d'énergie provient du courant continu qui coule de l'alimentation électrique au sol lorsque le transistor est actif, mettant en évidence un compromis opérationnel clé dans la conception de l'onduleur des NMOS.

L'onduleur PMOS

Figure 4: CMOS ICS Basics

L'onduleur PMOS est structuré de manière similaire à l'onduleur du NMOS mais avec des connexions électriques inversées.Dans cette configuration, un transistor PMOS est utilisé avec une tension positive appliquée à la fois au substrat et à la source, tandis que la résistance de charge est connectée au sol.

Lorsque la tension d'entrée est élevée à + V (logique «1»), la tension de porte à source devient nulle, éteint le transistor «off».Cela crée un chemin de résistance élevé entre la source et le drain, en gardant la tension de sortie faible à la logique «0».

Lorsque l'entrée est à 0 volts (logique '0'), la tension de porte à source devient négative par rapport à la source.Cette tension négative charge le condensateur de la porte, inversant la surface semi-conductrice de type n au type p, et formant un canal conducteur.Ce canal abaisse considérablement la résistance entre la source et le drain, permettant au courant de s'écouler librement de la source vers le drain.En conséquence, la tension de sortie monte près de la tension d'alimentation + V, correspondant à une logique «1».

De cette façon, le transistor PMOS agit comme un dispositif de traction, qui fournit un chemin de résistance faible à la tension d'alimentation positive lorsqu'il est activé.Cela fait de l'onduleur PMOS un composant principal pour créer une inversion logique stable et fiable.Il garantit que la sortie est fortement entraînée à l'état élevé en cas de besoin.

Section transversale d'un CMOS

Figure 5: Section transversale de la porte CMOS

Une puce CMOS combine les transistors NMOS et PMOS sur un seul substrat de silicium, formant un circuit d'onduleur compact et efficace.La visualisation d'une coupe transversale de cette configuration montre le placement stratégique de ces transistors, optimisant les fonctionnalités et réduisant l'interférence électrique.

Le transistor PMOS est intégré dans le substrat de type N, tandis que le transistor NMOS est placé dans une zone de type P séparée appelée pellé P.Cet arrangement garantit que chaque transistor fonctionne dans des conditions optimales.Le p-well agit comme un terrain opérationnel pour le transistor du NMOS et isole les trajets électriques des transistors NMOS et PMOS, empêchant les interférences.Cette isolation est utile pour maintenir l'intégrité du signal et les performances globales du circuit CMOS.

Cette configuration permet à la puce de basculer entre les états logiques élevés et faibles rapidement et de manière fiable.En intégrant les deux types de transistors dans une unité, la conception CMOS équilibre leurs caractéristiques électriques, conduisant à des opérations de circuit plus stables et efficaces.Cette intégration réduit la taille et améliore les performances des appareils électroniques modernes, présentant l'ingénierie avancée derrière la technologie CMOS.

Dissipation de puissance d'un onduleur CMOS

Une caractéristique clé de la technologie CMOS est son efficacité de dissipation de puissance, en particulier dans les états statiques ou inactifs.Lorsqu'elle est inactive, un onduleur CMOS tire très peu de puissance car le transistor "OFF" ne fuit qu'un courant minimal.Cette efficacité est utile pour maintenir les déchets d'énergie et prolonger la durée de vie de la batterie des appareils portables.

Figure 6: Capteurs CMOS - pour les caméras industrielles

Pendant le fonctionnement dynamique, lorsque l'onduleur interdit, la dissipation de puissance augmente temporairement.Cette pointe se produit parce que, pendant un bref instant, les transistors NMOS et PMOS sont partiellement allumés, créant un chemin direct de courte durée pour le flux de courant de la tension d'alimentation au sol.Malgré cette augmentation transitoire, la consommation d'énergie moyenne globale d'un onduleur CMOS reste beaucoup plus faible que celle des technologies plus anciennes comme la logique de transistor-transistor (TTL).

Cette faible utilisation de puissance soutenue sur différents modes opérationnels améliore l'efficacité énergétique des circuits CMOS.Le rendre idéal pour les applications où la disponibilité de l'énergie est limitée, comme les appareils mobiles et autres technologies alimentées par batterie.

Le tirage à faible puissance en régime permanent des onduleurs CMOS génère moins de chaleur qui réduit la contrainte thermique sur les composants de l'appareil.Cette génération de chaleur réduite peut prolonger la durée de vie des appareils électroniques, faisant de la technologie CMOS un facteur clé dans la conception de systèmes électroniques plus durables et plus efficaces.

La caractéristique de transfert de tension CC de l'onduleur CMOS

Figure 7: Optimiser les circuits pour l'efficacité de l'énergie et de la vitesse

La caractéristique de transfert de tension CC (VTC) d'un onduleur CMOS est un outil principal pour comprendre son comportement.Il montre la relation entre les tensions d'entrée et de sortie dans des conditions statiques (non-commutation), offrant une vue claire des performances de l'onduleur sur différents niveaux d'entrée.

Dans un onduleur CMOS bien conçu, où les transistors NMOS et PMOS sont équilibrés, le VTC est presque idéal.Il est symétrique et a une transition nette entre les tensions de sortie élevées et faibles à un seuil de tension d'entrée spécifique.Ce seuil est le point où l'onduleur passe d'un état logique à un autre, passant rapidement de la logique «1» à «0» et vice versa.

La précision du VTC est utile pour déterminer les plages de tension opérationnelle des circuits numériques.Il identifie les points exacts où la sortie changera les états, garantissant que les signaux logiques sont clairs et cohérents, et réduisant le risque d'erreurs en raison des ions de tension V ariat.

Avantages de la technologie CMOS

La technologie CMOS offre une faible consommation d'énergie statique.Le rendre plus utile pour les applications électroniques, en particulier dans les appareils alimentés par batterie, car il n'utilise l'énergie que lors des transactions à l'état logique.

La conception des circuits CMOS simplifie intrinsèquement la complexité, permettant une disposition compacte et à haute densité des fonctions logiques sur une seule puce.Cette fonctionnalité est nécessaire pour améliorer les microprocesseurs et les puces mémoire, améliorant les capacités opérationnelles sans élargir la taille physique du silicium.Cet avantage de densité permet une plus grande puissance de traitement par zone unitaire, facilitant les progrès de la miniaturisation technologique et de l'intégration du système.

L'immunité à bruit élevé de la technologie CMOS réduit les interférences, assurant un fonctionnement stable et fiable des systèmes basés sur les CMOS dans des environnements électroniques sujets au bruit.La combinaison d'une faible consommation d'énergie, d'une complexité réduite et d'une immunité de bruit robuste solidifie les CMO en tant que technologie fondamentale en électronique.Il prend en charge un large éventail d'applications, des circuits simples aux architectures informatiques numériques complexes.

Figure 8: Diagramme technologique CMOS

Un récapitulatif de la technologie CMOS

La technologie CMOS est une pierre angulaire de la conception de circuits numériques moderne, en utilisant les transistors NMOS et PMOS sur une seule puce.Cette approche à double transistor améliore l'efficacité grâce à une commutation complémentaire et réduit la consommation d'énergie, ce qui est bénéfique dans le monde actuel soucieux de l'énergie.

La force des circuits CMOS provient de leurs besoins de faible puissance et de leur excellente immunité de bruit.Ces traits sont utiles pour créer un circuit intégré numérique fiable et complexe.La technologie CMOS résiste efficacement aux interférences électriques, améliorant la stabilité et les performances des systèmes électroniques.

La faible consommation d'énergie statique de CMOS et le fonctionnement fiable en font le choix préféré pour de nombreuses applications.De l'électronique grand public aux systèmes informatiques haut de gamme, l'adaptabilité et l'efficacité de la technologie CMOS continuent de stimuler l'innovation dans l'industrie de l'électronique.Son utilisation généralisée met en évidence son importance dans la progression de la technologie numérique.

Conclusion

La technologie CMOS est un parangon de l'innovation dans le domaine de la conception des circuits numériques, ce qui entraîne continuellement l'avancement de l'électronique des gadgets de base aux systèmes de calcul complexes.La configuration à double transistor des NMOS et des PMO sur une seule puce a permis une commutation efficace, une dissipation de puissance minimale et un degré élevé d'immunité de bruit, ce qui rend les CMO utiles dans la création de circuits denses et intégrés.La réduction de la consommation d'énergie sans sacrifier les performances s'est avérée à l'ère des dispositifs portables et alimentés par batterie.La robustesse de la technologie CMOS dans la gestion de diverses conditions opérationnelles et environnementales a élargi ses applications dans de nombreux domaines.Alors qu'il continue d'évoluer, la technologie CMOS peut aider à façonner le paysage futur de la conception électronique.Il garantit que rester à l'avant-garde de l'innovation technologique et continue de répondre aux demandes croissantes d'efficacité énergétique et de miniaturisation dans les dispositifs électroniques.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Comment les CMO fonctionnent-ils dans l'électronique numérique?

La technologie complémentaire de l'oxyde de métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) est fondamentale dans l'électronique numérique, principalement parce qu'elle contrôle efficacement l'écoulement de l'électricité dans les appareils.En pratique, un circuit CMOS comprend deux types de transistors: les NMOS et les PMO.Ceux-ci sont organisés pour garantir qu'un seul des transistors effectue à la fois, ce qui réduit considérablement l'énergie consommée par le circuit.

Lorsqu'un circuit CMOS est en service, un transistor bloque le courant tandis que l'autre le permet de passer.Par exemple, si un signal numérique de «1» (haute tension) est entré dans un onduleur CMOS, le transistor du NMOS s'allume (conduites) et le PMOS désactive (courant de blocs), ce qui entraîne une basse tension ou «0»à la sortie.Inversement, une entrée de «0» active le PMOS et désactive les NMOS, résultant en une sortie élevée.Cette commutation garantit que la puissance minimale est gaspillée, ce qui rend les CMO idéaux pour les appareils comme les smartphones et les ordinateurs où l'efficacité de la batterie est requise.

2. Quelle est la différence entre MOSFET et CMOS?

Le MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) est un type de transistor utilisé pour la commutation de signaux électroniques.CMOS, en revanche, fait référence à une technologie qui utilise deux types complémentaires de MOSFET (NMOS et PMO) pour créer des circuits logiques numériques.

La principale distinction réside dans leur application et leur efficacité.Un seul MOSFET peut fonctionner comme un interrupteur ou amplifier les signaux, nécessitant un flux continu de puissance et potentiellement générer plus de chaleur.CMOS, en intégrant les transistors NMOS et PMOS, alterne entre l'utilisation de l'un ou l'autre, réduisant la puissance requise et la chaleur générée.Cela rend les CMOS plus adaptés aux dispositifs électroniques modernes qui nécessitent une efficacité et une compacité élevées.

3. Que se passe-t-il si vous effacez les CMOS?

Effacer les CMO sur un ordinateur réinitialise les paramètres du BIOS (Système d'entrée / sortie de base) à leurs défauts d'usine.Cela est souvent fait pour dépanner des problèmes matériels ou de démarrage qui peuvent survenir en raison de paramètres BIOS incorrects ou corrompus.

Pour effacer les CMOS, vous court-vous généralement une paire d'épingles spécifique sur la carte mère à l'aide d'un cavalier ou retirez la batterie CMOS pendant quelques minutes.Cette action rince la mémoire volatile dans le BIOS, effaçant toutes les configurations telles que l'ordre de démarrage, le temps du système et les paramètres matériels.Après avoir effacé le CMOS, vous devrez peut-être reconfigurer les paramètres du BIOS en fonction de vos besoins informatiques ou de votre compatibilité matérielle.

4. Qu'est-ce qui remplacera les CMOS?

Bien que la technologie CMOS soit toujours répandue, les recherches en cours visent à développer des alternatives qui pourraient potentiellement offrir une plus grande efficacité, vitesse et intégration à mesure que la technologie augmente davantage.

Les transistors en graphène sont explorés pour leurs propriétés électriques exceptionnelles, telles que la mobilité des électrons plus élevée que le silicium, ce qui pourrait entraîner des vitesses de traitement plus rapides.

Utilise simultanément des bits quantiques qui peuvent exister dans plusieurs états, offrant des augmentations de vitesse exponentielles pour des calculs spécifiques.

Spintronics: utilise la rotation des électrons, plutôt que leur charge, pour coder les données, réduisant potentiellement la consommation d'énergie et l'augmentation des capacités de traitement des données.

Bien que ces technologies soient prometteuses, la transition de la CMOS à une nouvelle norme en électronique numérique nécessitera de surmonter les défis techniques et des investissements substantiels dans de nouvelles technologies de fabrication.À l'heure actuelle, CMOS reste la technologie la plus pratique et la plus utilisée dans la conception des circuits numériques en raison de sa fiabilité et de sa rentabilité.