CMOS, viết tắt của "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" trongtiếng Anh, là thuật ngữ chỉ một loại công nghệ dùng để chế tạomạch tích hợp. Công nghệ CMOS được dùng để chế tạovi xử lý,vi điều khiển,RAM tĩnh và cáccổng logic khác. Công nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự nhưcảm biến ảnh,chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạchthu phát có mật độ tích hợp cao trong lĩnh vực thông tin.
Trong tên gọi của vi mạch này, thuật ngữtiếng Anh "complementary" ("bù"), ám chỉ việc thiết kế cáchàm lôgíc trong các vi mạch CMOS sử dụng cả hai loạitransistorPMOS vàNMOS và tại mỗi thời điểm chỉ có một loại transistor nằm ở trạng thái đóng (ON).
Hai đặc tính cơ bản của các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ CMOS là có độmiễn nhiễu cao và tiêu thụnăng lượng ở trạng thái tĩnh rất thấp. Các vi mạch CMOS chỉ tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể khi cáctransistor bên trong nó chuyển đổi giữa các trạng thái đóng (ON) và mở (OFF). Kết quả là cácthiết bị CMOS ít tiêu thụnăng lượng và tạo ra ítnhiệt hơn so với các loạicổng logic khác như mạchtransistor-transistor logic (TTL) hay mạch logic NMOS (khác với CMOS, NMOS chỉ dùng toàn bộ transistor hiệu ứng trường kiểu n và không dùng transistor hiệu ứng trường kiểu p). CMOS cũng cho phép tích hợp cáchàm lôgíc với mật độ cao trênchíp.
Cụm từ "metal-oxide-semiconductor" bắt nguồn từ mộtquy trình chế tạo các vi mạch tích hợp CMOS trước đây. Quy trình này tạo ra cáctransistor hiệu ứng trường mà mỗi transistor có mộtđiện cực cổng bằng kim loại được đặt lên trên một lớp cách điện bằng oxide phủ trênvật liệu bán dẫn. Ngày nay, thay vì dùng kim loại, người ta tạo ra điện cực cổng bằng một vật liệu khác, đó làpolysilicon. Tuy nhiên,IBM và Intel đã công bố sẽ sử dụng trở lại cổng kim loại trong công nghệ CMOS nhằm tận dụng tính chất tiên tiến của vật liệu cóhằng số điện môi cao trong việc chế tạo các vi mạch có kích thước 45 nanomét hay nhỏ hơn. Dù có nhiều thay đổi, tên gọi CMOS vẫn tiếp tục được sử dụng trong các quy trình chế tạo hiện đại[1].
Một vi mạch tích hợp nhỏ chứa một lượng lớn các tranzito CMOS đôi khi được gọi làvi mạch tích hợp CHMOS. Thuật ngữCHMOS viết tắt của "Complementary High-density metal-oxide-semiconductor" trongtiếng Anh.
Đôi khi, mạch kết hợp giữa cáccảm biếnMEMS vớibộ xử lý tín hiệu số được sản xuất trên một vi mạch tích hợp CMOS đơn được gọi làCMOSens
Frank Wanlass đã phát minh ra các mạch CMOS vào năm1963 tại hãngFairchild Semiconductor. Vào năm1968,mạch tích hợp CMOS đầu tiên đã được sản xuất bởi một nhóm nghiên cứu tại RCA doAlbert Medwin lãnh đạo. Khởi đầu, CMOS được xem như là một giải pháp thay thế choTTL (logic) để có được các vi mạch tuy tốc độ hoạt động chậm hơnTTL nhưng lại tiêu haonăng lượng ít hơn. Chính vì thế, những ngày đầu CMOS được sự quan tâm của ngành công nghiệpđồng hồ điện tử và một số lĩnh vực khác mà thời gian sử dụngpin quan trọng hơn so với vấn đề tốc độ. Khoảng 25 năm sau, CMOS đã trở thành kỹ thuật chiếm ưu thế trong vi mạch tích hợp số. Lý do là với việc ra đời các thế hệ quy trình chế tạo bán dẫn mới, kích thước hình học của cáctransistor ngày càng giảm xuống dẫn đến một loạt cải tiến; đó làdiện tích chiếm chỗ của vi mạch giảm, tốc độ làm việc tăng, hiệu suất sử dụng năng lượng tăng vàgiá thành chế tạo giảm. Hơn nữa, nhờ vào sự đơn giản và khả năng tiêu táncông suất tương đối thấp của mạch CMOS, người ta có thể thực hiện vi mạch có mật độ tích hợp cao mà vốn không thể làm được nếu dựa trên các transistor lưỡng cực
Lúc ban đầu, người ta chỉ có thể tìm thấy cáchàm logic CMOS chuẩn trong vi mạch tích hợp sốhọ 4000. Sau đó, nhiều hàm tronghọ 7400 bắt đầu được chế tạo bằng kỹ thuật CMOS,NMOS,BiCMOS và các kỹ thuật khác.
Cũng trong thời kỳ đầu, mạch CMOS dễ bị hư hỏng vì quá nhạy cảm với sựxả điện tích tĩnh điện (ESD). Do đó, các thế hệ sau thường được chế tạo kèm theo các mạch bảo vệ tinh vi nhằm làm tiêu tán cácđiện tích này, không để cho lớp oxide cổng và cáctiếp giáp p-n mỏng manh bị phá hủy. Mặc dầu vậy, hãng sản xuất vẫn khuyến cáo nên dùng bộ phận chốngtĩnh điện khi thao tác trên các vi mạch CMOS nhằm tránh hiện tượng vượt quá năng lượng. Chẳng hạn, các hãng sản xuất thường yêu cầu dùng bộ phận chống tĩnh điện khi chúng ta làm các thao tác thêm một khốibộ nhớ vàomáy vi tính.
Bên cạnh đó, các thế hệ ban đầu như họ 4000 dùngnhôm làm vật liệu tạo ra cực cổng. Điều này khiến cho CMOS có khả năng làm việc được trong điều kiệnđiện áp cung cấp thay đổi nhiều, cụ thể là nó có thể làm việc trong suốt tầm điện áp cung cấp từ 3 đến 18voltDC. Trong nhiều năm sau đó, mạch logic CMOS được thiết kế với điện áp cung cấp chuẩn công nghiệp là 5V vì để tương thích vớiTTL (logic). Kể từ 1990, bài toán tiêu hao công suất thường được coi trọng hơn so với bài toán tương hợp với TTL, và thế là điện áp cung cấp CMOS bắt đầu được hạ thấp xuống cùng với kích thước hình học của cáctransistor. Điện áp cung cấp thấp không chỉ giúp làm giảmcông suất tiêu hao mà còn cho phép chế tạo lớp cách điện cực cổng mỏng hơn, chức năng tốt hơn. Hiện nay, một vài mạch CMOS làm việc với điện áp cung cấp nhỏ hơn 1 volt.
Trong thời kỳ đầu, điện cực cổng được chế tạo bằng nhôm. Các quy trình chế tạo CMOS đời sau chuyển sang dùngsilicon đa tinh thể ("polysilicon"), chấp nhận được tốt hơn ởnhiệt độ cao trong quá trình tôi silicon sau khi đãcấy ion. Điều này cho phép nhà chế tạo có thể đặtcực cổng ngay từ những công đoạn sớm hơn trong quy trình và rồi dùng trực tiếp cực cổng như là một mặt nạ cấy để tạo ra mộtcực cổng tự sắp đặt (cực cổng không tự sắp đặt sẽ đòi hỏi có sự chồng lấp lên nhau khiến hãng sản xuất phải chấp nhận tăng kích thước transistor vàđiện dung ký sinh). Vào năm2004, cũng có những công trình nghiên cứu đề nghị dùng lại cực cổng bằngkim loại, nhưng cho đến nay, các quy trình vẫn tiếp tục sử dụng cực cổng polysilicon. Cũng có những nỗ lực lớn trong nghiên cứu nhằm thaychất điện môisilicon dioxide ở cực cổng bằng vật liệuđiện môi k-cao để chống lại hiện tượng tăng dòng rĩ.
CMOS là tên dùng để ám chỉ cả hai khía cạnh: đó là một phong cách thiết kế mạch số cụ thể và cũng là tên của một họ các quy trình chế tạo nhằm thực thimạch điện tử trên vi mạch (chip). Mạch logic CMOS tạo ra từ quy trình CMOS sẽ tiêu tán ít năng lượng hơn và cho phép tích hợp với mật độ cao hơn so với các quy trình khác với cùng một chức năng. Khi ưu điểm này ngày càng thể hiện và trở nên quan trọng hơn, quy trình CMOS và các quy trình biến thể của nó đã trở thành công nghệ chủ đạo, chính vì thế cho đến năm 2006, hầu hết các sản xuất vi mạch tích hợp đều dùng quy trình CMOS.
Mạch logic CMOS dùng một tổ hợp hai loại transistor hiệu ứng trường kim loại-oxide-bán dẫn (MOSFET)kiểu p vàkiểu n để thực hiện cáccổng logic và cácmạch số khác mà chúng ta thấy trongmáy vi tính, thiết bịviễn thông vàxử lý tín hiệu. Mặc dầu mạch logic CMOS cũng có thể được thực hiện bằng linh kiện rời (chẳng hạn, những mạch rời mà bạn học trong môn mạch điện tử cơ bản), thông thường sản phẩm CMOS thương mại điển hình làmạch tích hợp bao gồm hàng triệu (hay hàng trăm triệu)transistor của cả hai kiểu được chế tạo trên một miếngsiliconhình chữ nhật códiện tích trong khoảng 0,1 đến 4cm vuông. Những miếng silicon như vậy thường được gọi làchip, mặc dầu trong công nghiệp người ta cũng gọi nó là die, có lẽ bời vì chúng được tạo ra từ việc cắt nhỏ (dicing) miếng bánh silicon hình tròn là đơn vị cơ bản của sựsản xuất dụng cụ bán dẫn
Trong cổng logic CMOS, một số MOSFET kiểu n được sắp thành dạngmạch kéo xuống nằm giữa đầu ra của cổng với đường cung cấp nguồnđiện áp thấp. Thay vì dùng tải làđiện trở như trong các cổng logicNMOS, cổng logic CMOS lại dùng tải là một số MOSFET kiểu p sắp thành dạngmạch kéo lên nằm giữa đầu ra của cổng với đường cung cấpnguồn điện áp cao. Mạch kéo lên, gồm cáctransistor kiểu p, mang tính bổ túc cho mạch kéo xuống, gồm các transistor kiểu n, sao cho khi cáctransistor kiểu n tắt thì các transistor kiểu p sẽ dẫn và ngược lại.
Mạch logic CMOS tiêu táncông suất ít hơn mạch logic NMOS bởi vì CMOS chỉ tiêu tán công suất trong thời gian chuyển đổi trạng thái (công suất động). MộtASIC điển hình được chế tạo vớicông nghệ 90nm thay đổi trạng thái đầu ra trong thời gian 120picogiây, và sự chuyển đổi này xảy ra trong mỗi thời gian 10nano giây. Trong khi đó, mạch logicNMOS tiêu tán công suất bất kỳ lúc nào đầu ra ở mức thấp (công suất tĩnh), bởi vì khi đó có dòng điện chạy từVdd đếnVss thông qua điện trở tải và mạch gồm các transistor kiểu n.
MOSFET kiểu p được xem là dạng bổ túc cho MOSFET kiểu n bởi vì chúng chuyển sang dẫn khi điện áp cực cổng của chúng thấp hơn điện áp cực nguồn và bởi vì chúng có thể kéo cực máng lên đếnVdd. Như vậy, nếu cả hai transistor kiểu p và kiểu n có cực cổng nối chung với nhau để trở thành một đầu vào chung thì MOSFET kiểu p sẽ dẫn khi MOSFET kiểu n tắt và ngược lại.
Như là một ví dụ, hình bên phải làsơ đồ mạch của mộtcổng NAND trong mạch CMOS.
Nếu cả hai đầu vào A và B đều ở mức cao, khi đó cả hai transistor kiểu n (nửa dưới của sơ đồ) đều dẫn, trong khi đó không có transistor kiểu p nào (nửa trên của sơ đồ) dẫn, như vậy chỉ có một đường dẫn điện được thiết lập giữa đầu ra vàVss, điều này khiến cho đầu ra ở mức thấp. Nếu một trong hai đầu ra A và B hoặc cả hai đầu này đều ở mức thấp thì ít nhất sẽ có một transistor kiểu n không dẫn, ít nhất một transistor kiểu p sẽ dẫn, tạo ra một đường dẫn điện giữa đầu ra vàVdd, điều này khiến đầu ra ở mức cao.
Một ưu điểm khác của CMOS so với NMOS là cả hai quá trình chuyển đổi từ mức-thấp-đến-mức-cao và từ mức-cao-đến-mức-thấp của CMOS là nhanh vì các transistor kéo lên có trở kháng thấp khi chuyển sang dẫn, không giống như điện trở tải của mạch dùng NMOS.Thêm nữa, tín hiệu ngõ ra có khả năng quét gần suốt tầmđiện áp nằm giữa hai nguồn điện áp cung cấp nguồn thấp và cao. Đáp ứng gần đối xứng hơn, mạnh hơn này cũng khiến CMOS có khả năng chống nhiễu tốt hơn.
