CMO技術簡介
2024-07-09 6571

數字電子產品的演變是由互補金屬氧化物 - 氧化物 - 氣管（CMOS）技術的發展所塑造的。CMOS技術以響應更快的處理速度和更有效的功耗而出現，其創新的能力和信號完整性徹底改變了電路設計。與取決於電流流動的雙極連接晶體管（BJT）設備不同，CMOS設備利用電壓控制的機制顯著降低了柵極電流，從而最大程度地減少了功率損耗。這項技術在1970年代首次獲得了消費電子產品的吸引力，例如電子手錶，但這是1980年代非常大規模整合（VLSI）的出現，真正鞏固了CMOS作為現代電子產品基石的地位。該時代目睹了CMOS技術，增強了電路的可靠性，阻力和在不同溫度和電壓之間的性能，同時簡化了總體設計過程。這些增強不僅將晶體管數量從單個芯片提高到數百萬，而且還擴大了CMO的功能到數字和混合信號VLSI設計，優於晶體管透射術（TTL），勝過較高的舊技術（TTL），其速度較高較低的電壓操作。

目錄

了解CMOS技術

互補金屬 - 氧化物 - 高導體（CMOS）技術的開發在推進數字電路設計方面一直很重要。它的出現主要是由於需要更快的加工和降低能耗。與依賴電流流動的雙極連接晶體管（BJT）設備不同，CMOS使用電壓控制的機制。主要差異有助於減少門口的電流，從而大大減少功率損失。在1970年代，CMOS主要用於消費電子產品，例如電子手錶。

隨著非常大規模整合（VLSI）技術的出現，景觀發生了變化，該技術的出現是由於多種原因而大量採用的CMO。CMO使用較少的功率，提供更好的噪聲性，並在各種溫度和電壓上表現良好。它還簡化了電路設計，從而提高了可靠性和靈活性。這些功能允許基於CMOS的芯片的集成密度大大提高，每芯片數千晶體管的遷移到數百萬晶體管。

如今，CMOS對數字和混合信號VLSI設計都非常有用，由於其在較低電壓下的較高速度和效率，因此勝過晶體管透射術（TTL）（TTL）等較舊技術。它的廣泛使用強調了CMOS對現代電子產品的變革性影響，使其成為從日常小工具到先進計算系統的所有事物的首選技術。

圖1：用於平衡電氣特性

CMO的工作原理

互補金屬 - 氧化物 - 氣管導體（CMOS）技術的核心原理使用一對N型和P型晶體管來創建有效的邏輯電路。單個輸入信號控制這些晶體管的開關行為，在打開另一個晶體管時打開一個。這種設計消除了對其他半導體技術中使用的傳統上拉電阻的需求，從而簡化了設計並提高了能源效率。

在CMOS設置中，N型MOSFET（金屬 - 氧化物 - 氧化物 - 磁導體場效應晶體管）形成一個下拉網絡，將邏輯門的輸出連接到低壓電源，通常是接地（VSS）。這取代了較舊的NMOS邏輯電路中的負載電阻，該電路在管理電壓過渡方面的有效性較小，並且更容易容易出現功率損耗。相反，P型MOSFET創建了一個上拉網絡，該網絡將輸出連接到更高的電壓電源（VDD）。這種雙網絡佈置可確保對任何給定輸入的輸出穩定控制。

當激活P型MOSFET的門時，它會在相應的N型MOSFET關閉時打開，反之亦然。該相互作用不僅簡化了電路體系結構，還可以增強設備的操作可靠性和功能。CMOS技術對需要可靠，高效的電子系統的用戶有益。

圖2：CMOS技術簡介

逆變器

逆變器是數字電路設計中的主要元素，尤其是對於二進制算術和邏輯操作。主要功能是在二進制邏輯級別內逆轉輸入信號。簡而言之，a“ 0”被認為是低或零伏特，而“ 1”是高或v伏特的。當逆變器接收到0伏的輸入時，它會輸出V伏，並且當它接收V伏時，它會輸出0伏。

真實表通常通過列出所有可能的輸入及其相應的輸出來證明逆變器的功能。該表清楚地表明，“ 0”的輸入產生了“ 1”的輸出，而“ 1”的輸入導致輸出為“ 0”。對於計算和數字系統中的邏輯決策和數據處理，需要此反轉過程。

更複雜的數字交互需要逆變器的操作。它可以平穩執行高級計算任務，並有助於有效地管理電路內的數據流。

輸入	輸出
0	1
1	0

表1：逆變器真相表

CMOS逆變器

CMOS逆變器是電子產品效率的模型，具有與NMOS和PMOS晶體管相連的簡單設計。他們的門被綁在一起，作為輸入，並連接出排水管以形成輸出。這種佈置可減少功率耗散，從而優化電路以提高能效。

當輸入信號高（邏輯'1'）時，NMOS晶體管打開，導致電流並將輸出拉到低狀態（邏輯'0'）。同時，PMOS晶體管已關閉，從輸出中隔離了正供應。相反，當輸入較低（邏輯'0'）時，NMOS晶體管關閉，PMOS晶體管打開，將輸出推向高狀態（邏輯'1'）。

NMOS和PMOS晶體管之間的這種協調使逆變器儘管輸入電壓V ariat離子保持穩定的輸出。通過確保一個晶體管始終在另一個晶體管上時，CMOS逆變器會保守電源，並防止直接的電路從電源到地面。這將有助於防止不必要的電力消耗。這種雙遷移設置定義了CMOS逆變器在數字電路中的主要作用，從而提供了可靠的邏輯反轉，具有最少的能耗和高信號完整性。

圖3：CMOS邏輯門

NMOS逆變器

NMOS逆變器是使用直接有效的設置構建的。在這種配置中，柵極用作輸入，排水功能充當輸出，並且源和基板都接地。這種佈置的核心是增強型N通道MOSFET。通過負載電阻器將正電壓應用於排水管以建立正確的偏置。

當柵極輸入接地時，代表邏輯“ 0”時，門上不存在電壓。缺乏電壓阻止導電通道在MOSFET中形成，使其成為具有高電阻的開路。結果，最小電流從排水管流向源，導致輸出電壓接近 +V，這對應於邏輯“ 1”。當將正壓施加到柵極上時，它將電子吸引到柵極氧化物界面，形成N型通道。該通道可降低源和排水之間的電阻，從而使電流流動並將輸出電壓降至幾乎地面，或者邏輯“ 0”。

該操作顯示了NMOS逆變器作為有效的下拉設備，可用於二進制切換任務。認識到，在“ ON”狀態下，這種設置傾向於消耗更多的力量，這是有幫助的。晶體管活躍時從電源流向地面的連續電流引起的功耗增加，突出了NMOS逆變器設計中的關鍵操作權衡。

PMOS逆變器

圖4：CMOS ICS基礎知識

PMOS逆變器的結構類似於NMOS逆變器，但具有相反的電連接。在此設置中，將PMOS晶體管用於施加在基板和源的正電壓，而負載電阻器則連接到地面。

當輸入電壓在 +V（邏輯'1'）時高時，柵極對源電壓變為零，將晶體管“關閉”打開。這會在源和排水之間產生高電阻路徑，使輸出電壓保持在邏輯“ 0”下。

當輸入為0伏（邏輯'0'）時，與源相對於源，柵極對源電壓變為負。該負電壓為柵極電容器充電，將半導體表面從N型到P型倒，並形成導電通道。該通道大大降低了源和排水之間的電阻，從而使電流從源流到排水管的自由流動。結果，輸出電壓靠近電源電壓 +V，對應於邏輯“ 1”。

通過這種方式，PMOS晶體管充當上拉設備，在激活時為正電源電壓提供了低電阻路徑。這使PMOS逆變器成為創建穩定且可靠的邏輯反轉的主要組件。它確保在需要時強烈驅動輸出到高狀態。

CMO的橫截面

圖5：CMOS門的橫截面

CMOS芯片在單個矽底物上結合了NMOS和PMOS晶體管，形成緊湊而有效的逆變器電路。查看此設置的橫截面顯示了這些晶體管的戰略位置，從而優化了功能並減少電干擾。

PMOS晶體管嵌入N型底物中，而NMOS晶體管則將其放置在稱為P-Well的單獨的P型區域中。這種佈置可確保每個晶體管在最佳條件下運行。P孔充當NMOS晶體管的操作基礎，並分離NMOS和PMOS晶體管的電路路徑，從而防止干擾。這種隔離有助於保持信號完整性和總體CMOS電路性能。

這種配置允許芯片快速，可靠地在高和低邏輯狀態之間切換。通過將兩種類型的晶體管整合到一個單元中，CMOS設計平衡了它們的電氣特性，從而導致更穩定和高效的電路操作。這種集成減少了大小並提高現代電子設備的性能，展示了CMOS技術背後的高級工程。

CMOS逆變器的功率耗散

CMOS技術的一個關鍵特徵是其在功率耗散方面的效率，尤其是在靜態或閒置狀態下。當不活躍時，CMOS逆變器汲取了很少的功率，因為​​“ OFF”晶體管僅洩漏最小的電流。這種有效性有助於維持能源浪費並延長便攜式設備的電池壽命。

圖6：CMOS傳感器 - 工業相機

在動態操作期間，當逆變器切換狀態時，功率耗散會暫時增加。這種尖峰之所以發生，是因為在短時間內，NMOS和PMOS晶體管都部分亮起，從而為從電源電壓到地面的電流流動創造了短暫的直接路徑。儘管有這種短暫的增加，但CMOS逆變器的總體平均功耗仍遠低於晶體管傳播邏輯（TTL）等較舊技術的平均功耗。

這種持續的不同操作模式的低功率使用促進了CMOS電路的能源效率。它非常適合有限功率可用性的應用，例如移動設備和其他電池供電技術。

CMOS逆變器的低穩態功率吸收會產生較少的熱量，從而減少了設備組件的熱應力。這種減少的熱量產生可以延長電子設備的壽命，從而使CMOS技術成為設計更可持續和具有成本效益的電子系統的關鍵因素。

CMOS逆變器的直流電壓傳輸特性

圖7：優化電源和速度效率

CMOS逆變器的直流電壓傳輸特性（VTC）是了解其行為的主要工具。它顯示了在靜態（非開關）條件下輸入電壓和輸出電壓之間的關係，從而清楚地了解了逆變器在不同輸入級別上的性能。

在設計良好的CMOS逆變器中，NMOS和PMOS晶體管是平衡的，VTC幾乎是理想的選擇。它是對稱的，在特定輸入電壓閾值下高輸出電壓之間具有急劇的躍遷。該閾值是逆變器從一個邏輯狀態切換到另一種邏輯狀態的點，從邏輯“ 1”迅速變為“ 0”，反之亦然。

VTC的精度有助於確定數字電路的運行電壓範圍。它標識了輸出將改變狀態的確切點，以確保邏輯信號清晰且一致，並降低由於電壓V ariat離子而導致的錯誤風險。

CMOS技術的優勢

CMOS技術提供低靜電功耗。它對電子應用程序，尤其是在電池供電的設備中更有用，因為它僅在邏輯狀態交易中使用能量。

CMOS電路的設計固有地簡化了複雜性，從而使邏輯功能在單個芯片上具有緊湊的高密度佈置。需要此功能來增強微處理器和記憶芯片，從而提高操作功能而不擴大矽的物理尺寸。這種密度優勢允許每個單位區域的處理能力更多，從而促進了技術小型化和系統集成的進步。

CMOS技術的高噪聲免疫可減少干擾，確保基於CMOS的系統在易發噪聲環境中穩定且可靠的操作。低功耗，降低的複雜性和強大的噪聲免疫結合鞏固了CMO作為電子產品中的基礎技術。它支持廣泛的應用程序，從簡單電路到復雜的數字計算體系結構。

圖8：CMOS技術圖

CMOS技術的回顧

CMOS技術是現代數字電路設計的基石，在單個芯片上同時使用NMO和PMOS晶體管。這種雙重透射方法通過互補的切換和降低功耗提高了效率，這在當今的能源意識世界中是有益的。

CMOS電路的強度來自其低功率要求和出色的噪聲免疫力。這些特徵對於創建可靠且複雜的數字集成電路很有用。CMOS技術有效地抵抗了電干擾，從而提高了電子系統的穩定性和性能。

CMO的低靜電功耗和可靠的操作使其成為許多應用程序的首選選擇。從消費電子設備到高端計算系統，CMOS技術的適應性和效率繼續推動電子行業的創新。它的廣泛使用強調了它在推進數字技術方面的重要性。

結論

CMOS技術是數字電路設計領域創新的典範，不斷推動電子產品從基本小工具到復雜的計算系統的發展。單個芯片上的NMO和PMO的雙晶體管設置允許有效的開關，最小的功率耗散和高度的噪聲免疫，使CMOS可用於創建密集的集成電路。在不犧牲性能的情況下，在不犧牲性能的情況下降低功耗已經證明了在便攜式電池供電的設備時代。CMO技術在處理各種操作和環境條件方面的魯棒性擴大了其在眾多領域的應用。隨著它的不斷發展，CMOS技術可以幫助塑造電子設計的未來景觀。它確保t一直處於技術創新的最前沿，並繼續滿足對電子設備中能效和微型化的需求不斷增長的需求。

常見問題[常見問題]

1. CMO如何在數字電子中起作用？

互補的金屬氧化物 - 氧化型（CMOS）技術是數字電子中的基礎，主要是因為它有效地控制了設備中的電流。實際上，CMOS電路包括兩種類型的晶體管：NMOS和PMOS。這些安排是為了確保只有一個晶體管一次進行，從而大大降低了電路消耗的能量。

當CMOS電路運行時，一個晶體管會阻止電流，另一個晶體管將其通過。例如，如果輸入“ 1”的數字信號（高壓）輸入到CMOS逆變器中，則NMOS晶體管打開（導電），並且PMOS關閉（阻止電流），導致低壓或0''在輸出處。相反，“ 0”的輸入激活PMO並停用NMO，從而導致高輸出。這種切換可確保浪費最小的功率，使CMOS非常適合需要電池效率的智能手機和計算機等設備。

2. MOSFET和CMO之間有什麼區別？

MOSFET（金屬氧化物 - 氧化型磁場效應晶體管）是一種用於切換電子信號的晶體管。另一方面，CMO是指利用兩種互補類型的MOSFET（NMOS和PMO）來創建數字邏輯電路的技術。

主要區別在於他們的應用和效率。單個MOSFET可以充當開關或放大信號，需要連續的功率流並可能產生更多的熱量。CMO通過集成NMOS和PMOS晶體管，在使用一個或另一個之間交替，從而降低所需的功率和熱量。這使得CMO更適合需要高效率和緊湊性的現代電子設備。

3.如果您清除CMOS會發生什麼？

清除計算機上的CMO將BIOS（基本輸入/輸出系統）設置重置為其出廠默認值。這通常是為了解決由於錯誤或損壞的BIOS設置而可能出現的硬件或引導問題的問題。

要清除CMOS，您通常會使用跳線上的主板上的一對特定的別針，或將CMOS電池卸下幾分鐘。此操作沖洗BIOS中的揮發性內存，刪除諸如引導訂單，系統時間和硬件設置之類的任何配置。清除CMO後，您可能需要根據計算需求或硬件兼容性重新配置BIOS設置。

4.什麼將替換CMO？

儘管CMOS技術仍然很普遍，但正在進行的研究旨在開發可能隨著技術進一步縮小的效率，速度和集成的替代方案。

石墨烯晶體管因其出色的電特性而被探索，例如比矽更高的電子遷移率，這可能會導致加工速度更快。

利用可以同時存在於多個狀態中的量子位，為特定計算提供指數速度的提高。

SpinTronics：使用電子的自旋而不是電荷來編碼數據，可能會降低功耗並增加數據處理能力。

儘管這些技術是有希望的，但從CMO到數字電子產品的新標準過渡將需要克服技術挑戰和對新製造技術的大量投資。截至目前，由於其可靠性和成本效益，CMO仍然是數字電路設計中最實用，最廣泛使用的技術。