CMOS, també conegut com aMetall Òxid Semiconductor Complementari (de l'anglès:Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS) és una tecnologia per a la construcció decircuits integrats. La tecnologia CMOS es fa servir enmicroprocessadors,microcontroladors,SRAM i en circuits de lògica digital, i també en circuitsanalògics comsensors d'imatge,circuits de conversió itransceptorsintegrats per a diferents tipus de comunicació. La tecnologia CMOS va ser patentada perFrank Wanlass el1967 (US patent 3,356,858).
La tecnologia CMOS també és anomenadacomplementary-symmetry metal–oxide–semiconductor (o COS-MOS[1])
Les dues característiques més importants de la tecnologia CMOS són l'alta immunitat alsoroll i el baix consum energètic en repòs. Aquesta última característica es deu a la utilització conjunta detransistorsPMOS iNMOS de tal manera que només hi ha consum energètic quan hi ha un canvi de sortida i, en repòs, als corrents paràsits. D'aquesta manera, elsdispositius construïts amb tecnologia CMOS tenen un baix escalfament, no com altres tecnologies digitals com latecnologia TTL (transistor-transistor lògic) o lògicaNMOS, que utilitzen dispositius amb lògica decanal n.
La tecnologia CMOS permet una gran miniaturització, de manera que és possible la integració d'una alta densitat defuncions lògiques en un solintegrat. Aquest va ser el motiu principal per qual la tecnologia CMOS va convertir-se en ladècada dels anys vuitanta la tecnologia més utilitzada per implementarcircuits integrats a molt gran escala.
La frase«Metall-Òxid-Semiconductor» fa referència a l'estructura física amb la qual certstransistors d'efecte de camps són construïts. Aquests transistors tenen una porta de metall situada a sobre d'un aïllant d'òxid, que es troba a sobre d'un material semiconductor. Al principi es feia servir l'alumini com a metall però va ser substituït pelsilici policristal·lí (que técnicament es un semiconductor i no pas un metall).
Els circuits CMOS són circuits en els quals es combinentransistorsMOSFET de tipus P i N (PMOS iNMOS) per implementarportes lògiques,circuits digitals i els seus processos per a la implementació encircuits integrats, que es poden trobar enordinadors, equips detelecomunicacions i equips de processament de senyal. Malgrat que la lògica CMOS es pot implementar en dispositius discrets, els productes comercials CMOS estan integrats per milions (o centenars de milions) detransistors d'ambdós tipus en peces rectangulars desilici d'entre 10 i 400 mm². Aquests dispositius són anomenats xips, ointegrats.
Els circuits CMOS dissipen menys potència que les famílies lògiques que utilitzen càrregues resistives, de manera que predominen en elscircuits integrats actuals.[2]
La característica que diferencia els circuits CMOS és que estan construïts de tal manera que tots els transistorsPMOS tinguin una entrada des de la font d'alimentació o des de la sortida d'un altre transistor PMOS. De la mateixa manera, els transistorsNMOS tenen connectat a l'entrada el node de massa o un altre transistor NMOS. D'aquesta manera, en els circuits CMOS digitals, el subcircuit de transistors PMOS s'anomena depull-up i es fa servir per aconseguir un valor de tensió alt (en binari1), i el subcircuit de transistors NMOS s'anomena depull-down i es fa servir per aconseguir un valor de tensió baix (en binari0).La composició dels transistors PMOS crea una baixaresistència elèctrica entre surtidor i drenador quan a la porta s'hi aplica baixatensió, i una alta resistència quan la tensió de porta té un valor elevat. Per l'altra banda, la composició dels transistors NMOS crea una alta resistència entre surtidor i drenador quan s'aplica una baixa tensió a la porta, i una baixa resistència quan a la porta s'hi aplica alta tensió.
La tecnologia CMOS utilitza aquest antagonisme entre transistorsPMOS iNMOS per fer-los treballar en parelles per a construir funcions lògiques. Així, per a la construcció d'una portaporta NOT es connecten les dues portes i els dos drenadors d'un transistorPMOS i unNMOS. D'aquesta manera, una tensió alta a les portes provoca que el MOSFET N condueixi i el MOSFET P no condueixi, i complementàriament s'aconsegueix el contrari amb un nivell baix de tensió a les portes. Durant la commutació, el voltatge de drenador canvia d'un valor a l'altre, fent que aquest sigui l'únic moment en què els dostransistors condueixen alhora. Aquesta combinació redueix el consum energètic i la generació de calor.
Si ens fixem en la imatge de la dreta, podem veure un transistorPMOS (transistor de dalt) i untransistorNMOS (transistor de baix) connectats com s'ha esmentat a l'apartat anterior.
Una altra de les característiques importants dels circuits CMOS és que sónregeneratius: un senyal degradat que escometi una porta lògica CMOS serà restaurat al seu valor lògic inicial0 o1, sempre que encara estigui dins dels marges de soroll que el circuit pugui tolerar.
Una característica important dels circuits CMOS és la dualitat que existeix entre els transistors PMOS iNMOS. Un circuit CMOS es crea per permetre que a la sortida sempre existeixi una connexió a la font de tensió o a la massa. Per aconseguir això, totes les rutes d'accés a la font d'alimentació han d'estar complementades per les d'accés a massa. Per aconseguir això, degut a lallei de De Morgan, tots elstransistor PMOS en paral·lel han de tenir transistor NMOS en sèrie, i tots els transistors PMOS en sèrie han de tenir transistors NMOS en paral·lel per complementar els accessos esmentats, de manera que en el circuit ha d'haver el mateix nombre de transistors NMOS que PMOS.
Altres funcions lògiques com laporta AND o laporta OR requereixen altres estructures de connexió dels transistors.[3]
La imatge de la dreta mostra el circuit d'una porta NAND en lògica CMOS. Si les dues entrades A i B tenen un nivell alt, els dos transistors NMOS (a la part inferior de la imatge) es troben en conducció, mentre que els transistors PMOS (a la part superior de la imatge) es troben en tall, de manera que la sortida estarà connectada a Vss (massa), que donarà una sortida de nivell baix. Si qualsevol de les dues entrades A o B tingués un nivell baix, un dels transistorsNMOS no conduiria i un dels transistors PMOS si, de manera que hi hauria una connexió del node de sortida amb el node a tensió Vdd (tensió d'alimentació), obtenint un nivell alt.
L'avantatge de la tecnologia CMOS envers laNMOS és que tant les transicions de nivell baix a alt i d'alt a baix són més ràpides perquè els transistors de pull-up (PMOS) tenen, perquè els portadors majoritaris són elsforats, menor resistència quan estan en commutació, el contrari que les resistències de càrrega en la tecnologia NMOS. A més a més, el senyal de sortida mostra un rang de tensió de sortida menor (tensió d'alimentació i massa). Aquesta simetria fa que la tecnologia CMOS sigui més resistent al soroll.
Aquest exemple mostra la porta lògica NAND en una representació del seu nivell físic tal com estaria fabricat vist des de dalt. El circuit està construït sobre un substrat tipus P. La polisilicona, la difusió i la porta N estan referides com capes base i s'introdueixen dins del substrat tipus P. Els contactes travessen una capa aïllant entre les capes i la capa de metall per a fer la connexió.
Les entrades a la porta NAND (en verd a la imatge) són polisilicona. Els transistors CMOS estan formats per la intersecció de la polisilicona i la difusió: difusió N per al dispositiu N, difusió P per al dispositiu P (en color salmó i groc respectivament a la imatge). La sortida (out) es connecta junt al metall (blau clar). La connexió entre el metall i la polisilicona o la difusió són fetes a través dels contactes (il·lustrat amb quadrats negres). El disseny de la placa descrit coincideix amb la imatge del circuit NAND anterior.
El transistor tipus N es fabrica en substrat tipu P. El transistor tipus P es fabrica en una porta tipus N. El substrat tipus P es connecta a Vss i la porta tipus N es connecta a Vdd per evitar ellatch-up.
A més de les aplicacions digital, la tecnologia CMOS també es fa servir en aplicacions d'electrònica analògica degut a dues característiques importants delstransistorsMOSFET:
Per això la tecnologia CMOS es fa servir en diferents camps de l'electrònica analògica:
Els dispositius CMOS convencionals poden treballar en un rang d'entre −55°C to +125°C. L'agost de 2008 van sortir a la llum estudis teòrics que asseguraven que elstransistors CMOS de silici poden treballar a temperatures inferiors a 40K, or −233°C.[4] De fet fer treballar dispositius a temperatures properes a 40K s'ha aconseguit utilitzant un processador AMD Phenom II amb overclock amb una combinació de nitrogen líquid i heli.[5]
La tecnologia CSMOS dissipa menys potència que la tecnologiaNMOS perquè CMOS dissipa potència només durant la commutació. En una aplicacióASIC en un procés modern de 90 nanometres, la commutació de la sortida triga aproximadament 120 picosegons, i això succeeix cada 10 nanosegons. La lògica NMOS dissipa potència potència encara que la seva sortida estigui en nivell baix, perquè hi ha corrent que va des de Vdd a Vss a través de la resistència de càrrega en una xarxa de tipus N.
Els circuits CMOS dissipen potència amb la càrrega de les capacitats paràsites (generalment degudes a la porta i la capacitat del cablejat, però també al drenador i a sortidor) encara que ja hagin commutat. La càrrega moguda és la capacitat multiplicada per la variació de tensió. Multiplicant aquest valor per la freqüència de commutació a les capacitats de càrrega s'aconsegueix el corrent utilitzat, i multiplicant pel voltatge un altre cop aconseguim la potència dissipada pels dispositius CMOS:
Una altra forma de consum de potència va començar a aparèixer a ladècada del 1990, a mesura que el cablejat delsintegrats es feia més estret i els cables augmentaven la sevaresistència. Les portes CMOS al final d'aquest cablejat endarrereixen les transicions d'entrada. Durant aquestes transicions, tant les xarxesNMOS com PMOS condueixen parcialment, i el corrent va directe des de Vdd a Vss.
Tant elstransistors PMOS com NMOS tenen un llindar de tensió porta-surtidor per sota del qual el corrent a través del dispositiu cau exponencialment. Històricament, els dissenys CMOS que treballen a tensions d'alimentació majors que la seva tensió llindar(Vdd ha de ser 5 V, i Vth per NMOS i PMOS ha de ser700 mV). Un tipus especial de transistor CMOS amb una tensió llindar propera a zero és el transistor natiu.
La família lògica té una sèrie d'avantatges que la fan superior a unes altres en la fabricació de circuits integrats digitals:
Alguns dels inconvenients són els següents:
