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.

1. Princip "Komplementarity"

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).

—

2. Funkce na příkladu invertoru (Hradlo NOT)

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.

—

3. Výhody technologie CMOS

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.

—

4. CMOS v počítači: Více než jen tranzistory

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

CMOS RAM (BIOS Memory)

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.

CMOS Senzor

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.

—

5. Technické limity

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:

Tagy: hw electronics cmos mosfet semiconductor cpu bios