CMOSテクノロジーの紹介
2024-07-09 6586

デジタルエレクトロニクスの進化は、相補的な金属酸化物 - 陰導体（CMOS）テクノロジーの開発によって形作られています。CMOSテクノロジーは、より速い処理速度とより効率的な消費電力の必要性に応じて出現し、電力と信号の完全性を管理するための革新的なアプローチで回路設計に革命をもたらしました。電流フローに依存する双極ジャンクショントランジスタ（BJT）デバイスとは異なり、CMOSデバイスは、ゲート電流を大幅に削減する電圧制御メカニズムを利用して電力損失を最小限に抑えます。このテクノロジーは、1970年代に電子時計など、1970年代にコンシューマーエレクトロニクスで最初に牽引力を獲得しましたが、1980年代の非常に大規模な統合（VLSI）の出現であり、現代のエレクトロニクスの礎石としてCMOの地位を真に固めました。ERAでは、CMOSテクノロジーが、さまざまな温度と電圧にわたって回路の信頼性、騒音抵抗、パフォーマンスを向上させ、全体的な設計プロセスを簡素化しました。これらの拡張機能は、単一のチップでトランジスタカウントを数千から数百万に増加させただけでなく、CMOの機能をデジタルおよび混合シグナルVLSIデザインの両方に拡張し、その優れた速度やトランジスタトランジスタロジック（TTL）などの古いテクノロジーを上回りました。低電圧操作。

カタログ

CMOSテクノロジーの理解

補完的な金属酸化物 - 半導体（CMOS）テクノロジーの開発は、デジタル回路設計の前進に大きな役割を果たしてきました。それは主に、処理の速度とエネルギー消費の削減が必要であるために出現しました。電流フローに依存する双極ジャンクショントランジスタ（BJT）デバイスとは異なり、CMOSは電圧制御メカニズムを使用します。主な違いは、ゲートの電流を減らし、電力損失を大幅に削減するのに役立ちます。1970年代、CMOは主に電子時計などの家電で使用されていました。

1980年代には、非常に大規模な統合（VLSI）テクノロジーが出現し、いくつかの理由でCMOを大幅に採用しました。CMOSは、電力を使用しなくなり、騒音抵抗が向上し、さまざまな温度と電圧にわたってうまく機能します。また、信頼性と柔軟性を高める回路設計を簡素化します。これらの機能により、CMOSベースのチップの統合密度が大幅に増加し、チップごとに数千から数百万のトランジスタが移動しました。

今日、CMOはデジタルおよび混合シグナルの両方のVLSI設計に役立ち、低電圧での優れた速度と効率のため、トランジスタトランジスタロジック（TTL）などの古いテクノロジーを上回ります。その広範な使用は、CMOSの最新の電子機器への変革的影響を強調しており、日常のガジェットから高度な計算システムまで、あらゆるものの頼りになるテクノロジーになっています。

図1：電気的特性のバランスをとるために使用します

CMOSの作業原則

補完的な金属酸化物 - セミグダクター（CMOS）テクノロジーのコア原理は、一対のn型とp型トランジスタを使用して効率的なロジック回路を作成します。単一の入力信号は、これらのトランジスタのスイッチング動作を制御し、1つをオフにしながら1つをオンにします。この設計は、他の半導体技術で使用される従来のプルアップ抵抗の必要性を排除し、設計を簡素化し、エネルギー効率を向上させます。

CMOSセットアップでは、n型MOSFET（金属酸化物 - 酸化陰導体フィールド効果トランジスタ）が、ロジックゲートの出力を低電圧電源（通常は接地（VSS）に接続するプルダウンネットワークを形成します。これにより、高齢のNMOSロジック回路の負荷抵抗が置き換えられます。これは、電圧遷移の管理にあまり効果的ではなく、電力損失が発生しやすくなります。逆に、P型MOSFETは、出力をより高い電圧供給（VDD）に接続するプルアップネットワークを作成します。このデュアルネットワーク配置により、特定の入力に対して出力が安定して予測可能に制御されることが保証されます。

P型MOSFETのゲートがアクティブになると、対応するNタイプのMOSFETがオフになっている間にスイッチがオンになり、逆も同様です。この相互作用は、回路アーキテクチャを簡素化するだけでなく、デバイスの運用上の信頼性と機能を強化します。CMOSテクノロジーは、信頼できる効率的な電子システムを必要とするユーザーにとって有益です。

図2：CMOS Techの紹介

インバーター

インバーターは、特にバイナリ算術および論理操作のためのデジタル回路設計の主要な要素です。主な機能は、バイナリロジックレベル内の入力信号を逆転させることです。簡単に言えば、「0」は低ボルトまたはゼロボルトと見なされ、「1」は高または​​Vボルトです。インバーターが0ボルトの入力を受信すると、Vボルトを出力し、Vボルトを受信すると0ボルトが出力されます。

真実のテーブルは、通常、すべての可能な入力と対応する出力をリストすることにより、インバーターの関数を示します。この表は、「0」の入力が「1」の出力を生成し、「1」の入力が「0」の出力をもたらすことを明確に示しています。この反転プロセスは、コンピューティングおよびデジタルシステムにおける論理的な決定とデータ処理に必要です。

インバーターの操作は、より複雑なデジタルインタラクションに必要です。これにより、高レベルの計算タスクのスムーズな実行が可能になり、回路内のデータフローの管理が効果的に管理されます。

入力	出力
0	1
1	0

表1：インバータートゥルーステーブル

CMOSインバーター

CMOSインバーターは、電子機器の効率のモデルであり、NMOSおよびPMOSトランジスタが直列に接続されたシンプルなデザインを備えています。彼らのゲートは入力として結び付けられ、排水溝は出力を形成するために接続されています。この配置により、電力散逸が減少し、エネルギー効率のために回路を最適化します。

入力信号が高くなると（ロジック '1'）、NMOSトランジスタがオンになり、電流が伝導され、出力を低い状態（Logic '0'）に引っ張ります。同時に、PMOSトランジスタはオフになっており、出力から正の供給を分離します。逆に、入力が低い場合（ロジック '0'）、NMOSトランジスタがオフになり、PMOSトランジスタがオンになり、出力を高状態（Logic '1'）に駆動します。

NMOSとPMOSトランジスタ間のこの調整により、入力電圧V ariatイオンにもかかわらず、インバーターは安定した出力を維持できます。1つのトランジスタが常にオフになっていることを確認することにより、もう1つのトランジスタがオンになっている間、CMOSインバーターは電力を節約し、電源から地面への直接的な電気経路を防ぎます。不必要な電力排水を防ぐのに役立ちます。このデュアルトランジスタのセットアップは、デジタル回路におけるCMOSインバーターの主要な役割を定義し、最小限のエネルギー消費と高い信号の完全性を備えた信頼できるロジック反転を提供します。

図3：CMOSロジックゲート

NMOSインバーター

NMOSインバーターは、簡単で効率的なセットアップを使用して構築されています。この構成では、ゲートは入力として機能し、ドレインは出力として機能し、ソースと基質の両方が接地されています。この配置のコアは、拡張型NチャネルMOSFETです。正しいバイアスを確立するために、荷重抵抗器を介して排水管に正の電圧が適用されます。

ロジック「0」を表すゲート入力が接地されている場合、ゲートに電圧は存在しません。この電圧の欠如により、導電性チャネルがMOSFETで形成されるのを防ぎ、抵抗が高い開回路になります。その結果、最小限の電流がドレインからソースに流れ、出力電圧が +Vに近づき、これはロジック「1」に対応します。正の電圧がゲートに適用されると、Gate酸化物界面に電子を引き付け、N型チャネルを形成します。このチャネルは、ソースとドレイン間の抵抗を減らし、電流を流れて出力電圧をほぼ地上レベル、または論理「0」に落とすことができます。

この操作は、NMOSインバーターを効果的なプルダウンデバイスとして示しており、バイナリスイッチングタスクに役立ちます。このセットアップは、「オン」状態にあるときにより多くの電力を消費する傾向があることを認識すると役立ちます。消費電力の増加は、トランジスタがアクティブなときに電源から地面へと流れる連続電流から生じ、NMOSインバーター設計の主要な運用トレードオフを強調します。

PMOSインバーター

図4：CMOS ICSの基本

PMOSインバーターは、NMOSインバーターと同様に構成されていますが、電気接続が逆になっています。このセットアップでは、PMOSトランジスタは、基板とソースの両方に適用された正電圧で使用され、負荷抵抗器は地面に接続されています。

入力電圧が +V（Logic '1'）が高い場合、ゲートからソースの電圧がゼロになり、トランジスタが「オフ」になります。これにより、ソースとドレインの間に高い抵抗パスが作成され、出力電圧が論理「0」で低くなります。

入力が0ボルト（ロジック '0'）にある場合、ゲートからソースへの電圧がソースに対して負になります。この負の電圧は、ゲートコンデンサを充電し、半導体表面をn型からp型に反転させ、導電性チャネルを形成します。このチャネルは、ソースとドレインの間の抵抗を大幅に低下させ、電流がソースからドレインに自由に流れるようにします。その結果、出力電圧は、ロジック「1」に対応する電源電圧 +Vの近くで上昇します。

このようにして、PMOSトランジスタはプルアップデバイスとして機能し、アクティブ化されたときに正の電源電圧に低い抵抗パスを提供します。これにより、PMOSインバーターは、安定した信頼性の高い論理反転を作成する主要なコンポーネントになります。必要に応じて、出力が高状態に強く駆動されることを保証します。

CMOの断面

図5：CMOSゲートの断面

CMOSチップは、単一のシリコン基板上のNMOSおよびPMOSトランジスタを組み合わせて、コンパクトで効率的なインバーター回路を形成します。このセットアップの断面を表示すると、これらのトランジスタの戦略的配置、機能の最適化、電気干渉の削減が示されます。

PMOSトランジスタはN型基板に埋め込まれ、NMOSトランジスタはP-Wellと呼ばれる別のP型領域に配置されます。この配置により、各トランジスタが最適な条件下で動作することが保証されます。P-Wellは、NMOSトランジスタの動作基盤として機能し、NMOSおよびPMOSトランジスタの電気経路を分離し、干渉を防ぎます。この分離は、信号の完全性と全体的なCMOS回路のパフォーマンスを維持するのに役立ちます。

この構成により、チップは高ロジック状態と低いロジック状態を迅速かつ確実に切り替えることができます。両方のタイプのトランジスタを1つのユニットに統合することにより、CMOS設計は電気特性のバランスを取り、より安定した効率的な回路操作につながります。この統合により、サイズが削減され、最新の電子デバイスのパフォーマンスが向上し、CMOSテクノロジーの背後にある高度なエンジニアリングが紹介されます。

CMOSインバーターの電力散逸

CMOSテクノロジーの重要な特徴は、特に静的またはアイドル状態での電力散逸の効率です。非アクティブな場合、「オフ」トランジスタが最小電流のみをリークするため、CMOSインバーターはほとんど電力を引き出しません。この効果は、エネルギー廃棄物を維持し、携帯型デバイスのバッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。

図6：CMOSセンサー - 産業用カメラ用

動的動作中、インバーターが状態になると、電力散逸が一時的に増加します。このスパイクは、少しの間、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタの両方が部分的にオンになり、供給電圧から地面への電流流の短命の直接経路を作成するためです。この一時的な増加にもかかわらず、CMOSインバーターの全体的な平均消費電力は、Transistor-Transistorロジック（TTL）などの古い技術の平均消費電力よりもはるかに低いままです。

さまざまな運用モードでのこの持続的な低電力使用量は、CMOS回路のエネルギー効率を高めます。モバイルデバイスやその他のバッテリー駆動のテクノロジーなど、電力の可用性が限られているアプリケーションに最適です。

CMOSインバーターの安定状態の電力が低いため、発生が少なくなり、デバイスコンポーネントの熱応力が減少します。この減少した熱生成は、電子デバイスの寿命を延ばすことができ、CMOSテクノロジーをより持続可能で費用対効果の高い電子システムを設計する重要な要素になります。

CMOSインバーターの特徴的なDC電圧伝達

図7：電力と速度効率のために回路を最適化する

CMOSインバーターのDC電圧伝達特性（VTC）は、その動作を理解するための主要なツールです。静的（非スイッチング）条件における入力電圧と出力電圧の関係を示し、異なる入力レベルでインバーターのパフォーマンスを明確にビューを提供します。

NMOSおよびPMOSトランジスタがバランスが取れている適切に設計されたCMOSインバーターでは、VTCはほぼ理想的です。対称であり、特定の入力電圧しきい値での高出力電圧と低出力電圧の間に急激な遷移があります。このしきい値は、インバーターがあるロジック状態から別のロジック状態から別のロジック状態に切り替わるポイントです。ロジック「1」から「0」に急速に変更され、その逆も同様です。

VTCの精度は、デジタル回路の動作電圧範囲を決定するのに役立ちます。出力が状態を変更する正確なポイントを識別し、ロジック信号が明確で一貫していることを保証し、電圧V ariatイオンによるエラーのリスクを減らします。

CMOSテクノロジーの利点

CMOSテクノロジーは、静電気消費量が少ないことを提供します。ロジック状態トランザクション中にのみエネルギーを使用するため、電子アプリケーション、特にバッテリー駆動のデバイスでより有用になります。

CMOS回路の設計により、本質的に複雑さが簡素化され、単一のチップ上のロジック関数のコンパクトで高密度の配置が可能になります。この機能は、マイクロプロセッサとメモリチップを強化し、シリコンの物理サイズを拡大せずに運用機能を改善するために必要です。この密度の利点により、単位面積あたりの処理能力が高まり、技術の小型化とシステム統合の進歩が促進されます。

CMOSテクノロジーの高い騒音免疫は干渉を減らし、電子騒音が発生しやすい環境でのCMOSベースのシステムの安定した信頼性の高い動作を確保します。低消費電力、複雑さの低下、堅牢なノイズ免疫の組み合わせにより、CMOは電子工学の基礎技術として固まります。単純な回路から複雑なデジタルコンピューティングアーキテクチャまで、幅広いアプリケーションをサポートしています。

図8：CMOSテクノロジー図

CMOSテクノロジーの要約

CMOSテクノロジーは、単一のチップにNMOSトランジスタとPMOSトランジスタの両方を使用して、最新のデジタル回路設計の基礎です。このデュアルトランジスタアプローチは、相補的な切り替えによって効率を高め、消費電力を削減します。これは、今日のエネルギー志向の世界で有益です。

CMOS回路の強度は、低電力要件と優れた騒音免疫に由来しています。これらの特性は、信頼性の高い複雑なデジタル統合回路を作成するのに役立ちます。CMOSテクノロジーは、電気干渉に効果的に抵抗し、電子システムの安定性と性能を向上させます。

CMOSの静的消費電力が低く、信頼性の高い操作により、多くのアプリケーションで優先選択となります。家電からハイエンドのコンピューティングシステムまで、CMOSテクノロジーの適応性と効率性は、電子業界のイノベーションを引き続き促進しています。その広範な使用は、デジタルテクノロジーの進歩におけるその重要性を強調しています。

結論

CMOSテクノロジーは、デジタルサーキット設計の分野におけるイノベーションのパラゴンとして存在し、基本的なガジェットから複雑な計算システムへの電子機器の進歩を継続的に推進しています。単一のチップ上のNMOSおよびPMOのデュアルトランジスタセットアップにより、効率的な切り替え、最小限の電力散逸、および高度なノイズ免疫が可能になり、密な統合された回路の作成においてCMOが役立ちました。パフォーマンスを犠牲にすることなく消費電力を削減することは、ポータブルでバッテリー駆動のデバイスの時代で証明されています。さまざまな運用条件および環境条件を処理する際のCMOSテクノロジーの堅牢性は、多数のドメインにわたってアプリケーションを拡大しました。進化し続けるにつれて、CMOSテクノロジーは、電子設計の将来の景観を形作るのに役立ちます。これにより、技術革新の最前線にとどまり、電子機器におけるエネルギー効率と小型化に対するますます需要を満たし続けています。

よくある質問[FAQ]

1. CMOはデジタルエレクトロニクスでどのように機能しますか？

補完的な金属酸化物系導管（CMOS）テクノロジーは、主にデバイスの電力の流れを効率的に制御するため、デジタルエレクトロニクスの基礎となっています。実際には、CMOS回路には、NMOとPMOの2種類のトランジスタが含まれています。これらは、トランジスタの1つのみが一度に動作することを保証するために配置されており、これにより、回路が消費するエネルギーが大幅に減少します。

CMOS回路が動作している場合、1つのトランジスタは電流をブロックし、もう1つは通過させます。たとえば、「1」（高電圧）のデジタル信号がCMOSインバーターに入力されている場合、NMOSトランジスタがオンになり（導電性）、PMOSがオフ（ブロック電流）になり、低電圧または「0」になります。出力で。逆に、「0」の入力がPMOSをアクティブにし、NMOを非アクティブにして、高い出力をもたらします。この切り替えにより、最小限の電力が無駄になることが保証され、CMOSはバッテリー効率が必要なスマートフォンやコンピューターなどのデバイスに最適です。

2. MOSFETとCMOSの違いは何ですか？

MOSFET（金属酸化物 - 陰導体フィールド効果トランジスタ）は、電子信号の切り替えに使用される一種のトランジスタです。一方、CMOSは、2つの補完的なタイプのMOSFET（NMOとPMOS）を利用してデジタルロジックサーキットを作成するテクノロジーを指します。

主な区別は、そのアプリケーションと効率にあります。単一のMOSFETは、スイッチとして機能したり、信号を増幅したりすることができ、電力の連続的な流れを必要とし、より多くの熱を生成する可能性があります。CMOSは、NMOSとPMOSトランジスタの両方を統合することにより、どちらか一方を使用して、必要な電力を減らすことと生成された熱を交互に行います。これにより、CMOは、高効率とコンパクトさを必要とする最新の電子デバイスにより適しています。

3. CMOをクリアするとどうなりますか？

コンピューターでCMOをクリアすると、BIOS（基本的な入出力システム）設定が工場出荷時のデフォルトにリセットされます。これは、多くの場合、ハードウェアのトラブルシューティングや、BIOS設定が誤っているか破損しているために発生する可能性のある問題の問題が発生するために行われます。

CMOをクリアするには、通常、ジャンパーを使用してマザーボード上の特定のピンのペアを短くするか、数分間CMOSバッテリーを取り外します。このアクションは、BIOSの揮発性メモリを洗い流し、ブート順序、システム時間、ハードウェア設定などの構成を消去します。CMOをクリアした後、コンピューティングのニーズやハードウェアの互換性に従ってBIOS設定を再構成する必要がある場合があります。

4. CMOに代わるものは何ですか？

CMOSテクノロジーは依然として一般的ですが、進行中の研究は、技術がさらに拡大するにつれて、より大きな効率、速度、統合を提供できる可能性のある代替案を開発することを目的としています。

グラフェントランジスタは、シリコンよりも高い電子移動度など、優れた電気特性について調査されており、処理速度が速くなる可能性があります。

複数の状態に同時に存在できる量子ビットを利用して、特定の計算で指数関数的な速度の上昇を提供します。

Spintronics：電荷ではなく電子のスピンを使用してデータをエンコードし、消費電力を削減し、データ処理機能を増加させます。

これらの技術は有望ですが、CMOからデジタルエレクトロニクスの新しい基準に移行するには、技術的な課題と新しい製造技術への多額の投資を克服する必要があります。現在のところ、CMOは、その信頼性と費用対効果のため、デジタル回路設計で最も実用的で広く使用されている技術のままです。