Qué es un CMOS : Principio de funcionamiento y sus aplicaciones

El término CMOS significa «semiconductor de óxido metálico complementario». Es una de las tecnologías más populares en la industria del diseño de chips informáticos y se utiliza ampliamente hoy en día para formar circuitos integrados en numerosas y variadas aplicaciones. Las memorias de ordenador, las CPU y los teléfonos móviles actuales utilizan esta tecnología debido a varias ventajas clave. Esta tecnología utiliza dispositivos semiconductores de canal P y de canal N. Una de las tecnologías MOSFET más populares hoy en día es la tecnología MOS complementaria o CMOS. Es la tecnología de semiconductores dominante para los microprocesadores, los chips de microcontroladores, las memorias como la RAM, la ROM, la EEPROM y los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC).


Introducción a la tecnología MOS

En el diseño de circuitos integrados, el componente básico y más esencial es el transistor. Así, el MOSFET es un tipo de transistor utilizado en muchas aplicaciones. La formación de este transistor puede hacerse como un sándwich, incluyendo una capa de semiconductor, generalmente una oblea, un trozo de un solo cristal de silicio; una capa de dióxido de silicio y una capa de metal. Estas capas permiten formar los transistores dentro del material semiconductor. Un buen aislante como el Sio2 tiene una fina capa de un centenar de moléculas de espesor.

Los transistores que utilizamos son de silicio policristalino (poli) en lugar de metal para sus secciones de puerta. La puerta de polisilicio del FET puede sustituirse casi por puertas metálicas en los circuitos integrados de gran tamaño. A veces, tanto los FET de polisilicio como los de metal se denominan IGFET, que significa FET de puerta aislada, porque el Sio2 que hay debajo de la puerta es un aislante.

CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario)

La principal ventaja del CMOS sobre la tecnología NMOS y BIPOLAR es la disipación de potencia mucho menor. A diferencia de los circuitos NMOS o BIPOLAR, un circuito MOS complementario casi no tiene disipación de potencia estática. La energía sólo se disipa en caso de que el circuito conmute realmente. Esto permite integrar más puertas CMOS en un CI que en la tecnología NMOS o bipolar, lo que da lugar a un rendimiento mucho mayor. El transistor semiconductor de óxido metálico complementario está formado por MOS de canal P (PMOS) y MOS de canal N (NMOS). Consulta el enlace para saber más sobre el proceso de fabricación del transistor CMOS.

CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario)

NMOS

El NMOS se construye sobre un sustrato de tipo p con una fuente y un drenaje de tipo n difundidos en él. En el NMOS, la mayoría de los portadores son electrones. Cuando se aplica una tensión alta a la puerta, el NMOS conduce. Del mismo modo, cuando se aplica una tensión baja a la puerta, el NMOS no conduce. Se considera que el NMOS es más rápido que el PMOS, ya que los portadores del NMOS, que son electrones, viajan el doble de rápido que los huecos.

Transistor NMOS
Transistor NMOS

PMOS

El MOSFET de canal P está formado por una fuente y un drenaje de tipo P difundidos en un sustrato de tipo N. La mayoría de los portadores son huecos. Cuando se aplica una tensión alta a la puerta, el PMOS no conduce. Cuando se aplica una tensión baja a la puerta, el PMOS conduce. Los dispositivos PMOS son más inmunes al ruido que los dispositivos NMOS.

Transistor PMOS
Transistor PMOS

Principio de funcionamiento del CMOS

En la tecnología CMOS, se utilizan transistores de tipo N y de tipo P para diseñar funciones lógicas. La misma señal que pone en ON un transistor de un tipo se utiliza para poner en OFF un transistor del otro tipo. Esta característica permite diseñar dispositivos lógicos utilizando sólo interruptores simples, sin necesidad de una resistencia de pull-up.

En las puertas lógicas CMOS, un conjunto de MOSFETs de tipo n se dispone en una red pull-down entre la salida y el carril de alimentación de baja tensión (Vss o, con bastante frecuencia, tierra). En lugar de la resistencia de carga de las puertas lógicas NMOS, las puertas lógicas CMOS tienen una colección de MOSFETs de tipo p en una red de pull-up entre la salida y el carril de mayor tensión (a menudo denominado Vdd).

CMOS con Pull Up y Pull Down
CMOS con Pull Up y Pull Down

Así, si un transistor de tipo p y otro de tipo n tienen sus puertas conectadas a la misma entrada, el MOSFET de tipo p estará en ON cuando el MOSFET de tipo n esté en OFF, y viceversa. Las redes están dispuestas de forma que una esté en ON y la otra en OFF para cualquier patrón de entrada, como se muestra en la figura siguiente.

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El CMOS ofrece una velocidad relativamente alta, baja disipación de energía, altos márgenes de ruido en ambos estados, y funcionará en un amplio rango de tensiones de origen y de entrada (siempre que la tensión de origen sea fija). Además, para comprender mejor el principio de funcionamiento del Semiconductor de Óxido Metálico Complementario, debemos hablar brevemente de las puertas lógicas CMOS, como se explica a continuación.

¿Qué dispositivos utilizan CMOS?

La tecnología CMOS se utiliza en diferentes chips como microcontroladores, microprocesadores, SRAM (RAM estática) y otros circuitos lógicos digitales. Esta tecnología se utiliza en una amplia gama de circuitos analógicos que incluyen convertidores de datos, sensores de imagen y transceptores altamente incorporados para varios tipos de comunicación.

Inversor CMOS

El circuito inversor se muestra en la figura siguiente. Está formado por un FET PMOS y otro NMOS. La entrada A sirve como tensión de puerta para ambos transistores.

El transistor NMOS tiene entrada desde Vss (tierra) y el transistor PMOS tiene entrada desde Vdd. El terminal Y es la salida. Cuando se da una tensión alta (~ Vdd) en el terminal de entrada (A) del inversor, el PMOS se convierte en un circuito abierto, y el NMOS se pone en OFF, por lo que la salida se baja a Vss.

Inversor CMOS
Inversor CMOS

Cuando se aplica una tensión de bajo nivel (

ENTRADAENTRADA LÓGICASALIDASALIDA LÓGICA
0 vVdd1
Vdd10 v

Puerta NAND CMOS

La siguiente figura muestra una puerta NAND MOS complementaria de 2 entradas. Consta de dos transistores NMOS en serie entre Y y Tierra y dos transistores PMOS en paralelo entre Y y VDD.

Si cualquiera de las entradas A o B es un 0 lógico, al menos uno de los transistores NMOS estará en OFF, rompiendo el camino de Y a Tierra. Pero al menos uno de los transistores pMOS estará en ON, creando un camino de Y a VDD.

Puerta NAND de dos entradas
Puerta NAND de dos entradas

Por tanto, la salida Y será alta. Si ambas entradas son altas, los dos transistores nMOS estarán en ON y los dos transistores pMOS en OFF. Por lo tanto, la salida será lógicamente baja. La tabla de verdad de la puerta lógica NAND se muestra en la siguiente tabla.

ABRed de arrastreRed Pull-upSALIDA Y
OFFON1
1OFFON1
1OFFON1
11ENOFF

Puerta NOR CMOS

En la figura siguiente se muestra una puerta NOR de 2 entradas. Los transistores NMOS están en paralelo para tirar de la salida hacia abajo cuando cualquiera de las entradas es alta. Los transistores PMOS están en serie para tirar de la salida hacia arriba cuando ambas entradas están bajas, como se indica en la tabla siguiente. La salida nunca queda flotante.

Puerta NOR de dos entradas
Puerta NOR de dos entradas

La tabla de verdad de la puerta lógica NOR se indica en la siguiente tabla.

ABY
1
1
1
11

Fabricación de CMOS

La fabricación de los transistores CMOS puede realizarse en la oblea de silicio. El diámetro de la oblea oscila entre 20 mm y 300 mm. En este caso, el proceso de litografía es el mismo que el de la imprenta. En cada paso, se pueden depositar diferentes materiales, grabados o con patrones. Este proceso es muy sencillo de entender viendo la parte superior de la oblea, así como la sección transversal dentro de un método de montaje simplificado. La fabricación de CMOS se puede llevar a cabo mediante el uso de tres tecnologías: pozo N, pozo P, pozo doble y SOI (Silicio sobre aislante). Consulta este enlace para saber más sobre la fabricación de CMOS.

Una vida de batería CMOS

La vida útil típica de una batería CMOS es de aproximadamente 10 años. Pero, esto puede cambiar en función de la utilización y el entorno donde resida el PC.

Síntomas de fallo de la batería CMOS

Cuando la batería CMOS falla, el ordenador no puede mantener la hora y la fecha exactas en el ordenador una vez que está apagado. Por ejemplo, una vez que el ordenador está encendido, puedes ver la hora y la fecha como las 12:00 PM y el 1 de enero de 1990. Este fallo especifica que la batería del CMOS ha fallado.

  • El arranque del portátil es difícil
  • La placa base del ordenador genera continuamente un pitido
  • La hora y la fecha se han restablecido
  • Los periféricos de los ordenadores no responden correctamente
  • Los drivers del hardware han desaparecido
  • No se puede conectar a Internet.
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Características del CMOS

Las características más importantes del CMOS son la baja utilización de energía estática y la gran inmunidad al ruido. Cuando el único transistor del par de transistores MOSFET está apagado, la combinación en serie utiliza una potencia significativa durante la conmutación entre los dos estados como ON y OFF.

En consecuencia, estos dispositivos no generan calor residual en comparación con otros tipos de circuitos lógicos, como los TTL o los NMOS, que suelen utilizar cierta corriente estacionaria aunque no cambien de estado.

Estas características del CMOS permiten integrar funciones lógicas de alta densidad en un circuito integrado. Por ello, el CMOS se ha convertido en la tecnología más utilizada para ser ejecutada en los chips VLSI.

La frase MOS hace referencia a la estructura física del MOSFET, que incluye un electrodo con una puerta metálica que se encuentra en la parte superior de un aislante de óxido de material semiconductor.

Un material como el aluminio se utiliza sólo una vez, pero ahora el material es el polisilicio. El diseño de otras puertas metálicas se puede realizar mediante un regreso a través de la llegada de materiales dieléctricos de altaκ dentro del proceso del proceso CMOS.

CCD Vs CMOS

Los sensores de imagen como el dispositivo de carga acoplada (CCD) y el semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) son dos tipos de tecnologías diferentes. Se utilizan para capturar la imagen digitalmente. Cada sensor de imagen tiene sus ventajas, desventajas y aplicaciones.

La principal diferencia entre el CCD y el CMOS es la forma de capturar el fotograma. Un dispositivo de carga acoplada como el CCD utiliza un obturador global, mientras que el CMOS utiliza un obturador rodante. Estos dos sensores de imagen transforman la carga de la luz en eléctrica y la procesan en señales electrónicas.

El proceso de fabricación utilizado en los CCD es especial para formar la capacidad de mover la carga a través del CI sin alteraciones. Por tanto, este proceso de fabricación puede dar lugar a sensores de altísima calidad en cuanto a sensibilidad y fidelidad a la luz.

Por el contrario, los chips CMOS utilizan procedimientos de fabricación fijos para diseñar el chip y un proceso similar puede utilizarse también en la fabricación de los microprocesadores. Debido a las diferencias de fabricación, existen algunas disimilitudes claras entre los sensores como CCD 7 CMOS.

Los sensores CCD captarán las imágenes con menos ruido y gran calidad, mientras que los sensores CMOS suelen ser más propensos al ruido.

Normalmente, el CMOS utiliza menos energía, mientras que el CCD utiliza mucha energía, más de 100 veces que el sensor CMOS.

La fabricación de los chips CMOS puede realizarse en cualquier línea de producción típica de Si, porque suelen ser muy baratos en comparación con los CCD. Los sensores CCD son más maduros porque se fabrican en serie desde hace mucho tiempo.

Tanto los sensores de imagen CMOS como los CCD dependen del efecto fotoeléctrico para hacer la señal eléctrica de la luz

Basándose en las diferencias anteriores, los CCD se utilizan en las cámaras para obtener imágenes de alta calidad gracias a la gran cantidad de píxeles y la excelente sensibilidad a la luz. Normalmente, los sensores CMOS tienen menos resolución, calidad y sensibilidad.
En algunas aplicaciones, los sensores CMOS están mejorando recientemente hasta alcanzar casi la igualdad con los dispositivos CCD. En general, las cámaras CMOS no son caras y tienen una gran duración de la batería.

Latch-Up en CMOS

Un latch-up puede definirse como la aparición de un cortocircuito entre dos terminales, como el de potencia y el de tierra, de forma que se genera una corriente elevada y el CI puede resultar dañado. En CMOS, el latch-up es la aparición de un camino de baja impedancia entre el carril de potencia y el carril de tierra debido a la comunicación entre los dos transistores, como los transistores PNP y NPN parásitos.

En el circuito CMOS, los dos transistores PNP y NPN están conectados a dos carriles de alimentación, como VDD y GND. La protección de estos transistores puede hacerse mediante resistencias.

En una transmisión de latch-up, la corriente fluirá de VDD a GND directamente a través de los dos transistores, de modo que puede producirse un cortocircuito, por lo que la corriente extrema fluirá de VDD al terminal de tierra.

Hay diferentes métodos para prevenir el latch-up

En la prevención del latch-up, se puede colocar una alta resistencia en el camino para detener el flujo de corriente a lo largo del suministro y hacer que β1 *β2 sea inferior a 1 mediante los siguientes métodos.

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La estructura del SCR parásito se colocará en el entorno de los transistores como PMOS y NMOS a través de una capa de óxido aislante. La tecnología de protección contra el latch-up apagará el dispositivo cuando se detecte el latch-up.

Los servicios de prueba de latch-up pueden ser realizados por muchos proveedores del mercado. Esta prueba puede realizarse mediante una secuencia de intentos de activación de la estructura del SCR en el CI CMOS, mientras que los pines relacionados se comprueban cuando la sobrecorriente fluye a través de él.

Se aconseja obtener las primeras muestras del lote experimental y enviarlas a un laboratorio de pruebas de Latch-up. Este laboratorio aplicará el máximo suministro de energía alcanzable y luego proporcionará el suministro de corriente a las entradas y salidas del chip siempre que se produzca un Latch-up mediante la monitorización del suministro de corriente.

Ventajas

Las ventajas del CMOS son las siguientes

Las principales ventajas del CMOS sobre el TTL son un buen margen de ruido y un menor consumo de energía. Esto se debe a que no hay una vía de conducción recta desde VDD a GND, los tiempos de caída se basan en las condiciones de entrada, por lo que la transmisión de la señal digital será fácil y de bajo coste a través de los chips CMOS.

El CMOS se utiliza para explicar la cantidad de memoria de la placa base del ordenador que almacenará los ajustes de la BIOS. Estos ajustes incluyen principalmente la fecha, la hora y los ajustes del hardware
El TTL es un circuito lógico digital en el que los transistores bipolares funcionan con impulsos de corriente continua. Varias puertas lógicas de transistores se componen normalmente de un solo CI.

Las salidas si son CMOS conducen activamente en ambos sentidos

  • Utiliza una única fuente de alimentación como + VDD
  • Estas puertas son muy sencillas
  • La impedancia de entrada es alta
  • La lógica CMOS consume menos energía cuando se mantiene en un estado establecido
  • La disipación de energía es insignificante
  • La salida del ventilador es alta
  • Compatibilidad TTL
  • Estabilidad de la temperatura
  • La inmunidad al ruido es buena
  • Compacto
  • El diseño está muy bien
  • Robusto mecánicamente
  • La oscilación lógica es grande (VDD)

Desventajas

Las desventajas del CMOS son las siguientes

  • El coste se incrementará al aumentar los pasos de procesamiento, sin embargo, se puede resolver.
  • La densidad de empaquetamiento del CMOS es baja en comparación con el NMOS.
  • Los chips MOS deben protegerse de las cargas estáticas colocando los cables en cortocircuito; de lo contrario, las cargas estáticas obtenidas dentro de los cables dañarán el chip. Este problema puede resolverse incluyendo circuitos de protección o dispositivos.
  • Otro inconveniente del inversor CMOS es que utiliza dos transistores frente a uno NMOS para construir un inversor, lo que significa que el CMOS utiliza más espacio en el chip en comparación con el NMOS. Estos inconvenientes son pequeños debido al progreso de la tecnología CMOS.

Aplicaciones del CMOS

Los procesos MOS complementarios se implementaron ampliamente y han sustituido fundamentalmente a los procesos NMOS y bipolares para casi todas las aplicaciones lógicas digitales. La tecnología CMOS se ha utilizado para los siguientes diseños de CI digitales.

  • Memorias de ordenador, CPUs
  • Diseños de microprocesadores
  • Diseño de chips de memoria flash
  • Se utiliza para diseñar circuitos integrados de aplicación específica (ASIC)

Así, el El transistor CMOS es muy famoso porque utilizan la energía eléctrica de forma eficiente. No utilizan la alimentación eléctrica cuando cambian de una condición a otra. Además, los semiconductores complementarios trabajan mutuamente para detener la tensión o/p. El resultado es un diseño de bajo consumo que proporciona menos calor, debido a esta razón, estos transistores han cambiado otros diseños anteriores como los CCD dentro de los sensores de las cámaras y se utilizan en la mayoría de los procesadores actuales. La memoria del CMOS dentro de un ordenador es una especie de RAM no volátil que almacena la configuración de la BIOS y la información de la hora y la fecha.

Creo que has entendido mejor este concepto. Además, si tienes alguna duda sobre este concepto o sobre los proyectos de electrónica, puedes aportar tus valiosas sugerencias comentando en la sección de comentarios de abajo. Aquí tienes una pregunta, ¿por qué es preferible el CMOS al NMOS?

Javired
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