CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

CMOS je technologie návrhu digitálních logických obvodů, která využívá páry doplňkových (komplementárních) tranzistorů typu P a typu N. Její hlavní výhodou je, že spotřebovává energii téměř výhradně pouze v okamžiku, kdy dochází k přepínání logického stavu.

Název „komplementární“ vychází z toho, že CMOS obvody používají dva typy MOSFET tranzistorů, které pracují v protikladu:

• PMOS (P-channel): Sepne, když je na vstupu nízké napětí (Logická 0).
• NMOS (N-channel): Sepne, když je na vstupu vysoké napětí (Logická 1).

V klidovém stavu je vždy jeden z tranzistorů uzavřen. Tím se přeruší cesta mezi napájecím zdrojem (Vdd) a zemí (GND), takže obvodem neprotéká žádný proud (kromě zanedbatelných svodových proudů).

—

Invertor je nejjednodušší CMOS prvek. Skládá se z jednoho PMOS (nahoře) a jednoho NMOS (dole) tranzistoru.

• Vstup = 0: PMOS se otevře, NMOS se uzavře. Výstup je propojen s napájením → Výstup = 1.
• Vstup = 1: PMOS se uzavře, NMOS se otevře. Výstup je propojen se zemí → Výstup = 0.

—

• Nízká spotřeba: Ideální pro mobilní zařízení a notebooky.
• Vysoká odolnost proti šumu: Jasně definované logické úrovně snižují riziko chyb.
• Nízké tepelné vyzařování: V klidu se čip téměř nezahřívá (teplo vzniká až při vysokých frekvencích přepínání).
• Vysoká hustota integrace: Umožňuje umístit miliardy tranzistorů na plochu několika milimetrů čtverečních.

—

Kromě samotné architektury čipů se termín CMOS v IT používá také v těchto souvislostech:

Malá paměť na základní desce, která uchovává konfiguraci BIOSu/UEFI (datum, čas, pořadí bootování).

• Je napájena malou knoflíkovou baterií (CR2032), aby data zůstala zachována i po odpojení počítače od sítě.

Typ obrazového snímače používaný v digitálních fotoaparátech a smartphonech.

• Každý pixel má svůj vlastní zesilovač postavený na technologii CMOS, což umožňuje rychlé čtení dat a nižší spotřebu oproti starší technologii CCD.

—

S miniaturizací pod 7 nm se objevují problémy, které CMOS architekturu komplikují:

• Svodové proudy (Leakage): Izolační vrstvy jsou tak tenké, že jimi elektrony „protékají“ i ve vypnutém stavu.
• Dynamická spotřeba: Při frekvencích nad 4-5 GHz je odpadní teplo z neustálého přepínání tak obrovské, že jej nelze běžnými metodami uchladit.

Související články:

• MOSFET – Základní prvek CMOS
• Digitální logika a hradla
• Výroba procesorů

Tagy: hw electronics cmos mosfet semiconductor cpu bios