CMOS

CMOS (ראשי תיבות של Complementary Metal Oxide Semiconductor) היא הטכנולוגיה העיקרית כיום לייצור של מעגל משולב, המצוי במעבדים, שבבי זיכרון וחיישנים דיגיטליים. היתרון המרכזי שלה הוא צריכת חשמל נמוכה יחסית, המאפשרת לשבבים לעבוד במהירות גבוהה מבלי להתחמם יתר על המידה.

מימוש מהפך, שער NOT, בטכנולוגיית CMOS

הטכנולוגיה מבוססת על שילוב של שני סוגי טרנזיסטורים, NMOS ו-PMOS שהם טרנזיסטורי MOSFET עם תעלה מסוג P ומסוג N המיוצרים גב אל גב, עובדים יחד בצורה משלימה, ויחדיו יוצרים שער לוגי. כך הם מבטלים כמעט לגמרי את זרימת הזרם כאשר אין צורך בפעולה. בזכות תכונות אלו, CMOS היא השיטה הנפוצה ביותר לייצור רכיבי אלקטרוניקה מודרניים, החל מטלפונים חכמים ומחשבים ועד מצלמות דיגיטליות ומערכות בקרה מתקדמות.

רכיבי ה-CMOS נפוצים היום למעשה בכל המעגלים המשולבים הנמצאים כיום בכל התקן אלקטרוני בהם מיקרו-מעבדים, מיקרו-בקרים ומעגלים דיגיטליים ואנלוגיים אחרים, FPGA,‏ VLSI,‏ ASIC,‏ SRAM ועוד.

ה-CMOS היא הטכנולוגיה העיקרית מבין כמה טכנולוגיות שימושיות אחרות, כגון טרנזיסטורים ביפולריים עליה מבוססת טכנולוגיית ה-Bi-CMOS וטכנולוגיית הגליום ארסניד (GaAs), המשמשת בעיקר ליישומים בהם נדרשים קצבי שעון מהירים במיוחד – עשרות גיגה-הרץ ומעלה.

CMOS (אנ') הוא לעיתים גם הכינוי לחיישן האור במצלמות דיגיטליות, וכן אמצעי לזיהוי וכימות תגובות (ביולוגיות, כימיות וכיוצא בזה) עם אור.

תכונות בסיסיות

• צריכת זרם סטטית מזערית – אין צורך בזרימה במערכת CMOS כדי לשמור על ערך לוגי קבוע.
• צריכת זרם דינמית – צריכת הזרם הדינמית תלויה בריבוע מתח העבודה, בקיבול השער (גאומטריה) ובתדר. לכן בתכנון מעבדים בהם מנסים להעלות את תדר העבודה מעדיפים מתח הפעלה נמוך ככל הניתן. ניתן להשיג מתח זה בהתאמה בגאומטריה עדינה יותר, ובה גם הקיבול יותר קטן.
• התנגדות יציאה נמוכה (על פי הגאומטריה של הרכיב), מה שיקרב את מתח היצירה למתחי האספקה או יגדיל את זרם היציאה האפשרי.
• רגישות גבוהה למתחי יתר – רגישות זו נמנעת ברוב הרכיבים המודרניים על ידי מנגנוני הגנה פנימיים.
• רגישות נמוכה לרעש – על ידי דרישה שאותות הכניסה יעברו סִפים מסוימים (כולל היסטרזיס בהרבה מקרים) ועל ידי מרווח אותות היציאה הגדול.
• החיסרון העיקרי הוא מהירות העבודה נמוכה יחסית לטכנולוגיות המתחרות כגון טרנזיסטור ביפולרי המשמשות ליישומים מהירים במיוחד, אף על פי שתודות להקטנת ממדי השער לתחום הננו, ניתן להגיע לקצבים גבוהים, במיוחד במעבדים של מחשבים אישיים, של כמה גיגה הרְצים.

שער לוגי מסוג NAND ממבט על

מבנה

העיקרון מאחורי CMOS המאפשר מימוש שערים לוגיים הוא השימוש בשני טרנזיסטורים מסוג MOSFET, האחד עם תעלה מסוג P והשני עם תעלה מסוג N, היוצרים יחדיו נתיבים לזרימת הזרם לכיוון המוצא מספק המתח או מהאדמה. כאשר הנתיב למוצא נובע מספק המתח, המעגל נקרא מושך למעלה ונמצא במצב דלוק (ON) וכאשר המוצא מחובר לאדמה הוא נקרא מושך למטה או במצב כבוי (OFF).

אלטרנטיבות

מאז שנות ה-80, CMOS החליפה כמעט לחלוטין טכנולוגיות קודמות כמו NMOS ו-Bipolar, משום שהיא משלבת מהירות גבוהה עם צריכת חשמל נמוכה. יש טכנולוגיות נוספות שמיועדות לנישות ספציפיות (למשל GaAs במכשירי רדיו או SiGe לרכיבי הספק גבוה, או חומרים חדשים כגון גרפן ומוליכי על), אבל הן לרוב מתאימות לנישות: תקשורת בתדר גבוה, רכיבי הספק, מחקר. הן לא מסוגלות, בינתיים להגיע ליעילות, לצפיפות ולעלות של CMOS בייצור המוני.

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: CMOS
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: CMOS

• המחשת פעולת ה-CMOS (פועל על Java)