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Complementary Metal Oxide Semiconductor (dt. komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter, Abk. CMOS) ist eine Logikfamilie aus der Elektronik.
CMOS-Bausteine sind Halbleiterbauelemente, bei denen gleichzeitig sowohl p-Kanal- als auch n-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden. Die CMOS-Technologie stellt heutzutage die meist genutzte Logikfamilie dar und wird hauptsächlich für integrierte Schaltkreise genutzt.
Technik
Inverter_cmos.png in CMOS-Technik]] Das Grundprinzip der CMOS-Technik in der Digitaltechnik ist die Kombination von p-Kanal- und n-Kanal-Feldeffekttransistoren. Dabei wird die gewünschte Logikoperation zum einen in p-Kanal-Technik (als Pull-Up-Pfad) und zum anderen in n-Kanal-Technik (als Pull-Down-Pfad) entwickelt und in einem Schaltkreis zusammengeführt. Durch die gleiche Steuerspannung jeweils zweier komplementärer Transistoren (einmal n-Kanal, einmal p-Kanal) sperrt immer genau einer und der andere ist leitend. Eine negative Spannung am Eingang E des Inverters entspricht dabei der logischen 0. Sie sorgt dafür, dass nur die p-Kanal-Komponente Strom leitet und somit die Versorgungsspannung mit dem Ausgang A verbunden ist. Die logische 1 entspricht einer positiven Spannung und bewirkt, dass nur die n-Kanal-Komponente leitet und somit die Masse mit dem Ausgang A verbunden ist.
Es muss dafür zwar immer die doppelte Anzahl Transistoren auf einen Chip aufgebracht werden, dies lässt sich aber leichter in ICs integrieren als Widerstände - auf Widerstände kann in der CMOS-Technik im Gegensatz zur NMOS-Technik verzichtet werden. Der entscheidende Vorteil ist aber, dass Querstrom (von der Versorgungsspannung zur Masse) nur im Umschaltmoment fließt. Die Stromaufnahme bzw. die Verlustleistung ist also - abgesehen vom wesentlich kleineren Kriechstrom - nur von der Umschalthäufigkeit (Taktfrequenz) und dem Störabstand abhängig. Aus diesem Grund werden die meisten digitalen ICs (Prozessoren, Arbeitsspeicher) zurzeit in dieser Technik hergestellt. Die Verlustleistung ist darüber hinaus linear von der Taktfrequenz und quadratisch vom Störabstand abhängig (siehe Graphik). Verlust_cmos.gif
Bei analogen Anwendungen werden die hohe Integrierbarkeit und die kapazitive Steuerung genutzt, die die MOSFETs ermöglichen. Durch das Einsparen der Widerstände und die Benutzung von Aktiven Lasten (Stromspiegel als Quellen oder Senken) können Rauschabhängigkeiten und andere unerwünschte Effekte auf ein Minimum reduziert werden. Durch die große Frequenz-Bandbreite der Bauteile bei hohen Integrationen können sehr breitbandige Schaltkreise erstellt werden.
Eigenschaften
Die Verlustleistung im Ruhezustand beträgt im Allgemeinen ca. 10 nW, die Verlustleistung beim Schalten liegt frequenz- und betriebsspannungsabhängig je nach Bautyp bei Standardbaureihen bei ca. 1 mW/MHz (integrierte Gatter: ca. 10 µW/MHz).
CMOS-Eingänge sind relativ empfindlich gegenüber statischen Aufladungen und Überspannungen, weshalb vor CMOS-Eingänge im Allgemeinen Schutzschaltungen (z.B. Dioden) gesetzt werden.
Weiterhin besteht bei CMOS-Schaltungen und bei Überspannungen an den Eingängen das Problem des sogenannten "Latch-Up".
Spezielle Arten
Bicmos_inverter.png
HCT-CMOS
Unter HCT-CMOS-Technik versteht man die Anpassung der CMOS-Transistorstruktur an die Spannungspegel der TTL-Schaltungstechnik bei voller Pin-Kompatibilität zu diesen. Ein Austausch von TTL-Schaltkreisen mit HCT-CMOS-Schaltkreisen ist somit möglich.BiCMOS
Unter der BiCMOS-Technik versteht man eine Schaltungstechnik, bei der Feldeffekttransistoren mit Bipolartransistoren kombiniert werden. Dabei wird sowohl der Eingang als auch die logische Verknüpfung in CMOS-Technik realisiert - mit den entsprechenden Vorteilen. Für die Ausgangsstufe werden aber Bipolartransistoren eingesetzt. Dies bringt eine hohe Stromtreiberfähigkeit mit sich und eine geringe Abhängigkeit von der kapazitiven Last. Dafür werden aber im Allgemeinen 2 weitere Transistoren und 2 Widerstände in der Schaltung benötigt. Das Eingangsverhalten entspricht einem CMOS-Schaltkreis, das Ausgabeverhalten einem TTL-Schaltkreis.Anwendungsgebiete
Die CMOS-Technologie eignet sich durch ihren geringen Leistungsbedarf besonders für die Herstellung von integrierten Schaltungen. Diese finden verwendung in allen Bereichen der Elektronik, z. B. Digitaluhren oder in der Kfz-Elektronik. Des Weiteren werden mit ihr Speicherelemente, Mikroprozessoren und Sensoren(z. B. Fotodetektoren in Form von CMOS-Sensoren für die Digitalfotografie oder Spektroskopie) gefertigt.
Sonstiges
In der PC-Branche hat sich (bedingt durch nachlässige Übersetzung aus dem Amerikanischen) der Begriff CMOS auch für das batteriegepufferte SRAM, in dem die BIOS-Parameter gespeichert werden, eingebürgert.
Weblinks
Mikroelektronik | Digitaltechnik
سيموس | CMOS | Tecnología CMOS | CMOS | Complementary metal oxide semi-conductor | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS | CMOS
"Complementary Metal Oxide Semiconductor"
