Complementary metal-oxide-semiconductor

Die Abkürzung CMOS steht für Complementary Metal Oxide Semiconductor (dt. komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter). CMOS-Bausteine sind integrierte Schaltkreise, bei denen gleichzeitig sowohl p-Kanal als auch n-Kanal MOSFETs verwendet werden. Diese Technik findet in integrierten Schaltkreisen ihre Anwendung.

Technik

Datei:Inverter cmos.png
Inverter in CMOS-Technik

Das Grundprinzip der CMOS-Technik in der Digitaltechnik ist die Kombination von p-Kanal- 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 zurverzichtet 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 ]]) zurzeit in dieser Technik hergestellt. Die Verlustleistung ist darüber hinaus linear von der Taktfrequenz und quadratisch vom (siehe Graphik).

Qualitative Darstellung der Verlustleistung in Abh. von Takt und Störabstand

Bei analogen Anwendungen werden die hohe Integrierbarkeit und die kapazitive Steuerung genutztdie MOSFETs ermöglichen. Durch das Einsparen der Widerstände und die Benutzung von als Quellen oder Senken) können igkeiten und andere unerwünschte Effekte auf ein Minimum reduziert werdendie große Frequenz-Bandbreite der Bauteile bei hohen Integrationen 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". Dieser Effekt wird durch parasitäre Thyristoren verursacht, die sich zwangsweise durch den Schichtaufbau der einzelnen Dotierungen von N- und P-Kanal FETs in einem gemeinsamen Substrat (Bulk) im Halbleiterbaustein ergeben. Durch Zündung dieser parasitären Thyristoren kommt es zu einem direkten Kurzschluss der Versorgungspannung am CMOS-Bauteil, was fast immer zu einer Zerstörungung des Bauteils durch thermische Überlastung führt. Moderne CMOS-Schaltungen weisen zur Unterdrückung dieses Störeffektes an den Eingängen spezielle geometrische Anordnungen der Dotierungsbereiche der N- und P-FETs auf.

Spezielle Arten

Inverter in BiCMOS-Technik

HCT-CMOS

Unter HCT-CMOS-Technik verste ht man die Anpass ung der CMOS-Transistor st ruktur an die Spannung spegel der TTL-S chalt ungstechnik bei voller Pin-Kompat ibilität zu diesen. Ein Austaus ch von TTL-Schaltkreisen mit HCT-CM OS-Schaltkre isen ist somit möglich.

BiCMOS

Unter der Bi CMOS-Technik versteht man eine Schaltungstechnik, bei der Feldeffek ttrans istoren mit Bipolartra nsistoren kombinie rt werden. Dabei wird sowohl der Eingang als auch die logische Verknü pfung in CMOS-Tech nik real isiert - mit den entsprec henden Vort eilen. Für die Ausgan gsstufe werden aber Bipolart ran sistoren einge setzt. Dies bringt eine hohe Stromtr eiberfäh igkeit mit sich und eine gerin ge Abhängig keit von der kapa zitiven Last. Dafü r w erden aber im Allgeme inen 2 weitere Tra nsistoren und 2 Wid erstände in der Sc haltung benötigt. Das Eingan gsverhalten entspr icht einem CMOS-S c haltkreis, das Ausgab eve rhalten einem TTL -Schalt k reis.

Sonstiges

  • In der P C-Branche hat sich (be dingt durch na chlässige Übersetz ung aus dem Amer ikanischen) der Be griff CM OS auch für da s batteri egepuf ferte S RA M, in dem die BIOS -Param eter gespeic hert we rden, ein gebürgert.
  • CMOS-I Cs werden s ehr häu fig als logi sche Scha lter benut zt.

Siehe auch