أشباه الموصلات الكهربائية

وصف

CMOS (أشباه الموصلات من أكسيد المعدن التكميلي، وأشباه الموصلات من أكسيد المعدن التكميلي) هي تقنية أشباه الموصلات المستخدمة على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة الرقمية والتناظرية. الميزة الأساسية هي استخدام كليهما دوائر MOSFET ذات القناة N (NMOS) و الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (PMOS) للقناة P في وقت واحد لتشكيل هيكل تكميلي، وبالتالي تحقيق استهلاك منخفض للطاقة والأداء العالي.

1. الهيكل الأساسي لCMOS

الوحدة الأساسية أ دائرة CMOS هي عاكس CMOS، والذي يتكون من زوج من الترانزستورات NMOS وPMOS:

ل NMOS (قناة N MOSFET) : مسؤول عن عملية السحب للأسفل، والتي يتم إجراؤها عندما يكون الإدخال مرتفعًا والإخراج بمستويات منخفضة.

ل PMOS (قناة P MOSFET) : مسئول عن عملية السحب، حيث يقوم بالتوصيل عندما يكون الإدخال منخفضًا والإخراج بمستوى عالٍ.

2. الميزة الأساسية لCMOS

(1) استهلاك طاقة ثابت منخفض للغاية

ل في الحالة المستقرة (المنطق 0 أو 1)، يوجد دائمًا قطع واحد في كل من NMOS وPMOS، مع عدم وجود تيار هادئ تقريبًا (تيار التسرب فقط).

ل يستهلك CMOS طاقة قليلة جدًا مقارنةً بـ MOS الشائع (مثل NMOS أو PMOS) وهو مناسب للأجهزة التي تعمل بالبطارية (مثل الهواتف المحمولة وأجهزة إنترنت الأشياء).

(2) تحمل الضوضاء العالية

ل لأن مستوى الإخراج يمكن أن يستقر عند VDD (مستوى عال) أو GND (مستوى منخفض)، يعد CMOS أكثر مقاومة لتقلبات مصدر الطاقة والضوضاء.

(3) أوقات صعود/هبوط متناظرة

ل إن NMOS مسؤول عن السحب السريع (المستوى المنخفض)، وPMOS مسؤول عن السحب السريع (المستوى العالي)، مما يجعل تبديل الإشارة أسرع.

(4) التكامل العالي

ل تعد عمليات CMOS مناسبة للدوائر المتكاملة واسعة النطاق (مثل وحدة المعالجة المركزية والذاكرة) وتدعم العمليات النانوية (مثل 5 نانومتر و3 نانومتر).

3. التطبيقات الرئيسية لـ CMOS

يتم تطبيق تقنية CMOS على نطاق واسع في:

1. الدوائر الرقمية المتكاملة:

¢ المعالجات الدقيقة (وحدة المعالجة المركزية، وحدة معالجة الرسومات)

¢ الذاكرة (SRAM، DRAM، فلاش)

¢ FPGA (جهاز منطقي قابل للبرمجة)

2. الدوائر المتكاملة التناظرية:

¢ محول البيانات (ADC/DAC)

¢ شريحة تردد الراديو (RF).

3. مستشعر:

¢ مستشعر الصور CMOS (CIS، مثل كاميرا الهاتف المحمول)

¢ أجهزة الاستشعار الحيوية

4. أجهزة منخفضة الطاقة:

¢ أجهزة إنترنت الأشياء

¢ الأجهزة القابلة للارتداء (الساعات الذكية)

4. CMOS مقابل MOS المشترك (NMOS/PMOS)

5. تحديات CMOS

على الرغم من المزايا الواضحة لـ CMOS، لا تزال هناك بعض التحديات:

ل ارتفاع تكلفة التصنيع: يجب تحسين عمليات NMOS وPMOS في وقت واحد.

ل قضايا استهلاك الطاقة الديناميكية: يؤدي شحن وتفريغ المكثف أثناء التبديل عالي التردد إلى زيادة استهلاك الطاقة (تستخدم الرقائق الحديثة تقنيات مثل DVFS للتحسين).

ل تأثير القناة القصيرة: يزداد تيار التسرب عندما يتقلص حجم الترانزستور إلى المقياس النانوي (تتم معالجته بواسطة تقنيات جديدة مثل FinFET و GAAFET).

6. الاتجاهات المستقبلية

ل التكامل ثلاثي الأبعاد: مثل 3D NAND، Chiplet.

ل بنيات الأجهزة الجديدة: FinFET (ترانزستور تأثير المجال الزعنفي)، GAAFET (ترانزستور البوابة المحيطة).

ل تحسين الطاقة المنخفضة: الحوسبة القريبة من العتبة (NTC)، CMOS غير المتزامن.

ملخص

CMOS، مع انخفاض استهلاك الطاقة، والتكامل العالي، والموثوقية العاليةأصبحت التكنولوجيا السائدة للدوائر المتكاملة الحديثة وتستخدم على نطاق واسع في الحوسبة والاتصالات والتخزين والاستشعار. ومع تطورات العمليات (مثل 3 نانومتر، و2 نانومتر)، سيستمر CMOS في دفع عجلة تطوير التكنولوجيا الإلكترونية.