CMOS

CMOS (ingl k "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" ehk "komplementaarne metall-oksiid-pooljuht") on loogikalülituste rühm ja tehnoloogia.
CMOS-tehnoloogial põhineb valdav osa tänapäeval toodetavatest integraallülitustest, sealhulgas mikroprotsessorid, mikrokontrollerid, SRAM-moodulid ja paljud muud digitaalsed elektroonikalülitused. Samuti kasutatakse seda tüüpi lülitusi analoogsignaali seadmetes, näiteks opvõimendites ja CCD-sensorites, samuti segasignaaliga (analoog/digitaal-) seadmetes, mille tööpiirkond võib ulatuda mikrolainete sageduspiirkonda.
CMOS-tehnoloogia töötas välja Frank Wanlass USA firmas ja patenteeris 1967. aastal.
Tehnilised omadused.
CMOS-lülituste eelisteks on väga väike voolutarve – peamiselt tarbitakse voolu ainult sel ajal, kui transistorid lülituvad ümber juhtivast olekust mittejuhtivasse olekusse; sellest tulenevalt on väike ka soojuseraldus (võrreldes näiteks transistor-transistor-loogika ehk TTL-iga). CMOS-loogikaelemente on võimalik paigutada kiipides väga tihedalt. See oli ka peamine põhjus, miks CMOS-ist on saanud 1980. aastatest alates ainukasutatav tehnoloogia lausintegraallülituste (VLSI) kiipide tootmisel.
Siiski väga kõrgel töösagedusel ei jõua ümberlülitumine toimuda piisavalt kiiresti ja võib saabuda hetk, mil mõlemad komplementaarpaari transistorid on korraga juhtivad ning lühistavad lülituse lühikeseks ajaks. Ka on metalloksiid-pooljuhtseadised väga tundlikud elektrostaatiliste laengute suhtes ja kui nendega ettevaatamatult ümber käia, võivad nad pöördumatult rikneda.
Tavalised CMOS-komponendid võivad töötada temperatuurivahemikus −55 °C kuni 125 °C. Teoreetiliselt suudab räni-CMOS töötada kuni ‒233 °C juures.
Tööpõhimõte.
CMOS-tehnoloogial põhinevates lülitustes on loogikaelemendid üles ehitatud komplementaarsete (teineteist täiendavate) sümmeetriliste transistoripaaride baasil. Transistorideks on MOSFET-tüüpi väljatransistorid, kusjuures ühel neist on juhtiv kanal p-tüüpi (aukjuhtivusega) ja teisel n-tüüpi (elektronjuhtivusega), vastavalt PMOS- ja NMOS-transistorid. Loogikalülitustes töötavad CMOS-paari transistorid lülitina, kusjuures ükskõik kumma sisendsignaali (1 või 0) korral on üks neist transistoridest juhtiv (lüliti on sisse lülitatud) ja teine mittejuhtiv (lüliti on välja lülitatud).
PMOS-transistor on ehitatud nii, et kui paisule anda madal pinge, tekib lätte ja neelu vahele väike takistus. Ning kui anda paisule kõrgem pinge, tekib lätte ja neelu vahel suur takistus. NMOS-transistor toimib vastupidi: kui paisule anda madal pinge, tekib lätte ja neelu vahel suur takistus, ning kui anda kõrge pinge, tekib väike takistus.
Kui näiteks sisendis (transistoride kokkuühendatud paisudel) on madal pingenivoo, siis on juhtiv ainult PMOS-transistor, sest tema pais on lätte suhtes negatiivne. Et avatud transistori kanali takistus on väike (sajad oomid), siis on ka pingelang väike, nii et väljundisse jõuab peaaegu kogu toitepinge (näiteks 1,2 V). Seega on väljundis kõrge pingenivoo ehk signaal 1.
Kui pingenivoo lülituse sisendis muutub kõrgeks (keskmiselt pool toitepingest), siis muutub PMOS-transistor mittejuhtivaks (tema takistusväga suureks) ja NMOS-transistor juhtivaks, ühendades väljuni maaga, nii et pinge lülituse väljundis muutub peaaegu nulliks.
Niisugune lülitus toimib järelikult EI-loogikaelemendina ehk inverterina, mille kõrgele pingenivoole vastab kahendsüsteemis 1 ja madalale 0.
Bipolaarväljundiga CMOS.
Selle lülituse sisendis on komplementaarsete väljatransistoride paar ja väljundis kaks npn-bipolaartransistori koos takistitega baasahelas. Bipolaartransistorid annavad võimaluse suurendada ümberlülitusvõimsust, seega suurendada nii väljunvoolu kui ka lülitatavat pinget.