ترانزیستورهای CMOS که مخفف “ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانا اکسید فلز مکمل” هستند، جزء اصلی در وسایل الکترونیکی مدرن به شمار می‌روند. آنها با استفاده از دو نوع مکمل ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) کار می‌کنند: نوع n و نوع p.
این یک توضیح ساده از نحوه عملکرد آنها است:
ساختار: یک ترانزیستور CMOS از یک جفت ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) تشکیل شده است که روی یک ویفر سیلیکونی قرار گرفته‌اند. یکی از آنها نوع n است که دارای الکترون‌های اضافی به عنوان حامل‌های بار است و دیگری نوع p است که حفره‌ها (عدم وجود الکترون) به عنوان حامل‌های بار عمل می‌کنند.
عملکرد: در یک مدار CMOS، هنگامی که یک ترانزیستور روشن می‌شود، دیگری خاموش می‌شود. این عمل مکمل منجر به مصرف انرژی بسیار کم می‌شود زیرا برق قابل توجهی فقط زمانی که ترانزیستورها حالت خود را تغییر می‌دهند، نه زمانی که یک حالت را حفظ می‌کنند، کشیده می‌شود.
گیت‌های منطقی: از فناوری CMOS برای ایجاد گیت‌های منطقی مانند نه (NOT)، و (NAND) و یا (NOR) استفاده می‌شود. این گیت‌ها بلوک‌های سازنده مدارهای دیجیتال را تشکیل می‌دهند که عملیات منطقی ضروری برای پردازش رایانه را انجام می‌دهند.
مزایا: مزایای کلیدی ترانزیستورهای CMOS شامل ایمنی نویز بالا و مصرف انرژی ایستا کم است. این امر آنها را برای استفاده در مدارهای مجتمع مانند میکروپروسسورها و تراشه‌های حافظه ایده‌آل می‌کند، جایی که بازده انرژی و تراکم بسیار مهم هستند.
فناوری CMOS به دلیل این ویژگی‌ها به پراستفاده‌ترین فناوری برای پیاده‌سازی در تراشه‌های VLSI (Very Large Scale Integration) تبدیل شده است.
ترانزیستورهای CMOS از چه زمانی شروع به توسعه کردند و چه تحولاتی در طول زمان داشته‌اند؟
ترانزیستورهای CMOS از زمان شکل‌گیری، نقش محوری در صنعت الکترونیک داشته‌اند. در ادامه نگاهی کوتاه به تاریخچه و پیشرفت‌های آنها در طول زمان می‌اندازیم:
شروع: فرآیند CMOS توسط فرانک وانلس در شرکت نیمه‌رساناهای Fairchild ابداع شد و در سال ۱۹۶۳ توسط وانلس و چن تانگ ساه در کنفرانس بین‌المللی مدارهای مجتمع حالت جامد ارائه گردید.
ثبت اختراع و تجاری‌سازی: وانلس بعداً در سال ۱۹۶۷ برای مدارهای CMOS درخواست ثبت اختراع در آمریکا کرد. شرکت RCA این فناوری را با نام تجاری “COS-MOS” در اواخر دهه ۱۹۶۰ تجاری‌سازی کرد که در نهایت تا اوایل دهه ۱۹۷۰ “CMOS” به عنوان نام استاندارد این فناوری شناخته شد.
جایگزینی NMOS: در دهه ۱۹۸۰، CMOS فرآیند غالب ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی (MOSFET) برای تراشه‌های با integración در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) شد و همچنین جایگزین فناوری قدیمی‌تر منطق ترانزیستور-ترانزیستور (TTL) گردید.
پیشرفت‌ها: از آن زمان، فناوری CMOS پیشرفت‌های مداوم داشته است، از جمله کوچک‌سازی اندازه ترانزیستورها، بهبود بازده انرژی و ادغام توابع مختلف روی تراشه‌های واحد. معرفی مواد دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک بالا و گیت‌های فلزی دیگر، پیشرفت قابل توجهی در تکامل ترانزیستورهای CMOS به شمار می‌رود.
وضعیت فعلی: تا سال ۲۰۱۱، ۹۹ درصد از تراشه‌های مدار مجتمع (IC)، از جمله اکثر ICهای دیجیتال، آنالوگ و سیگنال مختلط، با استفاده از فناوری CMOS ساخته می‌شدند. این به دلیل ایمنی نویز بالا، مصرف انرژی ایستا کم و توانایی ادغام تراکم بالایی از توابع منطقی روی یک تراشه است.
سفر ترانزیستورهای CMOS از بدو شکل‌گیری تا تبدیل شدن به سنگ بنای الکترونیک مدرن، پیشرفت قابل توجهی را در فناوری نیمه‌رساناها نشان می‌دهد.مطلب مرتبط : مواد اولیه نیمه هادی ها چیست؟
چه ویژگی‌هایی باعث می‌شود که ترانزیستورهای CMOS در بسیاری از مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند؟
ترانزیستورهای CMOS به دلیل ترکیبی از ویژگی‌های کلیدی که آنها را بسیار کارآمد و چندمنظوره می‌کند، به طور گسترده در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در اینجا برخی از ویژگی‌هایی که به محبوبیت آنها کمک می‌کند، آورده شده است:
- مصرف انرژی پایین: دستگاه‌های CMOS از ایمنی نویز بالا و مصرف انرژی ایستا کم برخوردار هستند. از آنجایی که همیشه یکی از ترانزیستورها در جفت ترانزیستور اثر میدانی خاموش است، آنها فقط در هنگام تغییر بین حالت روشن و خاموش برای لحظه‌ای جریان قابل توجهی می‌کشند.
- کاهش تولید گرما: در مقایسه با سایر اشکال منطق مانند منطق NMOS یا TTL، دستگاه‌های CMOS به اندازه آنها گرما تولید نمی‌کنند. دلیل این امر این است که به جز لحظات تغییر وضعیت، مسیر جریان دائمی از ترمینال مثبت به منفی ترانزیستور در سراسر مدار وجود ندارد.
- تراکم ادغام بالا: ویژگی‌های CMOS امکان ادغام تراکم بالایی از توابع منطقی بر روی یک تراشه را فراهم می‌کند. این یکی از دلایل اصلی تبدیل شدن CMOS به پراستفاده‌ترین فناوری در تراشه‌های VLSI بود.
- پایداری دما: فناوری CMOS عملکرد پایدار را در طیف وسیعی از دما ارائه می‌دهد که برای بسیاری از کاربردها ضروری است.
- ایمنی نویز بالا: مدارهای CMOS تحمل بالایی در برابر نویز دارند که آنها را در شرایط محیطی مختلف قابل اعتماد می‌کند.
- خروجی بالا (Fan-Out): مدارهای CMOS می‌توانند تعداد بیشتری از ورودی‌ها را هدایت کنند؛ آنها قابلیت خروجی بالایی دارند.
- چندمنظوره بودن: از فناوری CMOS برای ساخت تراشه‌های مدار مجتمع، از جمله ریزپردازنده‌ها، میکروکنترلرها، تراشه‌های حافظه و سایر مدارهای منطقی دیجیتال استفاده می‌شود. همچنین برای مدارهای آنالوگ مانند حسگرهای تصویر، مبدل‌های داده و مدارهای RF به کار می‌رود.
این ویژگی‌ها در کنار هم به پذیرش گسترده ترانزیستورهای CMOS در طراحی و ساخت وسایل الکترونیکی مدرن کمک کرده‌است.
چگونه ترانزیستورهای CMOS می‌توانند به کاهش مصرف انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی کمک کنند؟
ترانزیستورهای CMOS از طریق چندین مکانیزم مصرف انرژی را در وسایل الکترونیکی به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند:
-
سوئیچینگ مکمل: در مدارهای CMOS، ترانزیستورهای نوع n و نوع p به صورت مکمل کار می‌کنند. زمانی که یکی روشن است، دیگری خاموش است که جریان عبوری از مدار را در حالت‌های پایدار (بالا یا پایین) به حداقل می‌رساند. این باعث کاهش اتلاف انرژی به صورت گرما می‌شود.
-
مصرف انرژی ایستا کم: ترانزیستورهای CMOS عمدتاً در طول فرآیند سوئیچینگ، انرژی مصرف می‌کنند. در زمان غیرفعال بودن، آنها مصرف انرژی ایستا بسیار کمی دارند که به بازده انرژی کلی کمک می‌کند.
-
مقیاس‌گذاری ولتاژ: در گذشته، فناوری CMOS از مقیاس‌گذاری دینارد پیروی می‌کرد که با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستور، امکان کاهش توان مصرفی به ازای هر گیت را فراهم می‌ساخت. اگرچه این مقیاس‌گذاری اخیراً با چالش‌هایی روبرو شده است، اما در طول دهه‌ها عامل کلیدی در بهبود بازده انرژی بوده است.
-
ایمنی نویز بالا: طراحی مدارهای CMOS یک حاشیه ولتاژ گسترده بین سطوح منطقی بالا و پایین فراهم می‌کند که به جلوگیری از سیگنال‌های اشتباه یا خطاهای ناشی از نویز الکتریکی کمک می‌کند. این امر تضمین می‌کند که مدارها بدون اتلاف انرژی اضافی به طور کارآمد کار کنند.
این ویژگی‌ها باعث می‌شود ترانزیستورهای CMOS برای استفاده در طیف وسیعی از وسایل الکترونیکی، به ویژه وسایلی که در آنها بازده انرژی اهمیت حیاتی دارد، ایده‌آل باشند.
و اما در پایان ، این منابع برای بهتر نوشتن این مطلب به ما کمک کردند :
انتهای مطلب
