CMOS (Complementary metal–oxide–semiconductor)

CMOS

 

Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) atau semikonduktor–oksida–logam komplementer, adalah sebuah jenis utama dari rangkaian terintegrasi. Teknologi CMOS digunakan di mikroprosesor, pengontrol mikro, RAM statis, dan sirkuit logika digital lainnya. Teknologi CMOS juga digunakan dalam banyak sirkuit analog, seperti sensor gambar, pengubah data, dan trimancar terintegrasi untuk berbagai jenis komunikasi. Frank Wanlass berhasil mematenkan CMOS pada tahun 1967 (US Patent 3,356,858).
CMOS juga sering disebut complementary-symmetry metal–oxide–semiconductor or COSMOS (semikonduktor–logam–oksida komplementer-simetris). Kata komplementer-simetris merujuk pada kenyataan bahwa biasanya desain digital berbasis CMOS menggunakan pasangan komplementer dan simetris dari MOSFET semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n untuk fungsi logika.
Dua karakter penting dari CMOS adalah kekebalan desahnya yang tinggi dan penggunaan daya statis yang rendah. Daya hanya diambil saat transistor dalam CMOS berpindah di antara kondisi hidup dan mati. Akibatnya, peranti CMOS tidak menimbulkan bahang sebanyak sirkuit logika lainnya, seperti logika transistor-transistor (TTL) atau logika NMOS, yang hanya menggunakan peranti tipe-n tanpa tipe-p. CMOS juga memungkinkan chip logika dengan kepadatan tinggi dibuat.
Kalimat "metal–oxide–semiconductor" atau semikonduktor–logam–oksida adalah sebuah sebutan pada struktur fisik beberapa transistor efek medan, memiliki gerbang elektrode logam yang terletak di atas isolator oksida logam, yang juga berada di atas bahan semikonduktor. Aluminium digunakan pertama kali, tetapi sekarang digunakan bahan polisilikon. Gerbang logam lain dibuat seiring kedatangan material dielektrik permitivitas tinggi di dalam proses pembuatan CMOS, seperti yang diumumkan oleh IBM dan Intel untuk node 45 nanometer dan lebih kecil ^[1].

Detail teknis

"CMOS" merujuk pada desain sirkuit digital tertentu, dan proses-proses yang digunakan untuk mengimplementasikan sirkuit tersebut dalam rangkaian terintegrasi. Sirkuit CMOS memboroskan lebih sedikit daya saat statis, dan memungkinkan penempatan sirkuit yang lebih padat daripada teknologi lain yang mempunyai fungsi sama. Saat keuntungan ini menjadi lebih diinginkan, proses CMOS dan variannya mendominasi sirkuit digital terintegrasi modern.
Sirkuit CMOS menggunakan kombinasi MOSFET tipe-n dan tipe-p untuk mengkonstruksi gerbang logika dan sirkuit digital yang ditemui di komputer, peralatan komunikasi, dan peralatan pemroses sinyal. Walaupun logika CMOS dapat dibangun dari komponen terpisah (seperti pada proyek pemula), biasanya produk CMOS adalah rangkaian terintegrasi yang terdiri dari jutaan transistor pada sepotong silikon seluas antara 0,1 hingga 4 sentimeter persegi. Peranti tersebut biasanya disebut dengan chip, sedangkan untuk perindustrian juga disebut dengan die (tunggal) atau dice (jamak).

Komposisi

Prinsip utama dibalik litar CMOS yang menjadikannya dapat digunakan untuk gerbang logik adalah penggunaan MOSFET type-p dan type-n untuk membuat jalan menuju keluaran dari sumber tegangan atau dibumikan. Ketika jalan menuju keluaran dibuat dari sumber tegangan, litar ini disebut pull-up. Di lain pihak, litar dinyatakan pull-down jika jalan menuju keluaran dibuat dari bumi.

Pembalikan

Pembalik CMOS statis

litar CMOS didesain sedemikian rupa sehingga semua transistor PMOS harus mempunyai masukan dari sumber tegangan ataupun dari transistor PMOS lainnya. Sama dengan hal itu, semua transistor NMOS harus mempunyai masukan dari ground atau transistor NMOS lainnya. Komposisi dari transistor PMOS menimbulkan resistansi rendah ketika tegangan rendah dikenakan padanya, dan resistansi tinggi ketika tegangan tinggi dikenakan padanya. Di lain pihak, komposisi dari transistor NMOS mengakibatkan resistansi tinggi ketika tegangan rendah dikenakan padanya, dan resistansi rendah ketika tegangan tinggi dikenakan padanya.
Gambar di kiri menunjukkan apa yang terjadi jika sebuah masukkan disambungkan ke transistor PMOS dan transistor NMOS. Ketika tegangan masukan A rendah, transistor NMOS mempunyai resistansi tinggi sehingga mencegah tegangan untuk bocor ke ground, sedangkan transistor PMOS mempunyai resistansi rendah sehingga memungkinkan sumber tegangan untuk memindahkan tegangan menuju ke keluaran melalui transistor PMOS. Keluaran seharusnya menunjukkan tegangan tinggi (logika 1).
Di lain pihak, ketika tegangan di masukan A tinggi, transistor PMOS akan memiliki resistansi tinggi sehingga menghalangi sumber tegangan dari keluaran, sedangkan transistor NMOS mempunyai resistansi rendah yang memungkinkan keluaran untuk membuang ke ground. Ini akan menyebabkan keluaran menunjukkan tegangan rendah (logika 0). Singkatnya, keluaran transistor PMOS dan NMOS selalu komplementer. Karenanya, keluaran sirkuit CMOS pada dasarnya adalah pembalikan dari masukan.

Kejodohan

Karakteristik penting dari sirkuit CMOS adalah kejodohan antara transistor PMOS dan transistor NMOS. Sebuah sirkuit CMOS didesain sehingga selalu ada jalur dari keluaran ke salah satu sumber tegangan atau ground. Untuk menyelesaikannya, kombinasi dari semua jalur ke sumber tegangan hapus merupakan komplemen dari jalur ke ground. Ini dapat diselesaikan dengan mudah dengan menentukan salah satu adalah NOT lainnya. Logika bekerja berdasarkan hukum De Morgan sehingga transistor PMOS paralel ekivalen dengan transistor NMOS seri, sedangkan transistor PMOS seri ekivalen dengan transistor NMOS paralel.

Logika

Gerbang NAND pada logika CMOS

Fungsi logika yang lebih kompleks seperti AND dan OR memerlukan manipulasi jalur di antara gerbang untuk membuat logika. Ketika sebuah jalur yang terdiri dari dua transistor seri, lalu semua transistor hapus mempunyai resistansi rendah untuk membiarkan tegangan melewatinya, menunjukkan sebuah gerbang AND. Ketika sebuah jalur terdiri dari dua transistor paralel, lalu salah satu transistor harus mempunyai resistansi rendah untuk membiarkan tegangan melewatinya, menunjukkan gerbang OR.
Diperlihatkan di kanan adalah diagram sirkuit dari gerbang NAND di logika CMOS. Jika semua masukan A dan B tinggi, dan semua transistor NMOS (separuh bawah) akan menghantar, dan transistor PMOS (separuh atas) tidak menghantar, dan sebuah jalur akan terbentuk antara keluaran dan V_ss (ground), membuat keluaran rendah. Jika salah satu masukan A atau B rendah, salah satu transistor NMOS tidak akan menghantar, sedangkan salah satu transistor NMOS akan menghantar, dan jalur akan terbentuk antara keluaran dan V_dd (sumber tegangan), membuat keluaran tinggi.
Sebuah keunggulan logika CMOS daripada logika NMOS adalah semua pensakelaran antara rendah-tinggi dan tinggi-rendah adalah cepat karena transistor pull-up memiliki resistansi rendah saat dihidupkan, tidak seperti resistor beban di logika NMOS. Untuk tambahan, sinyal keluaran mengayun penuh di antara catu positif dan negatif. Sinyal yang kuat dan simetris ini membuat CMOS lebih kebal terhadap desah.

Perhitungan kekomplekan

Untuk desain sel standar digital, atau langsung saja utuk CMOS, sebuah ukuran yang umum untuk menentukan kekomplekan suatu desain logika adalah gerbang ekivalen (GE).

Daya: pensakelaran dan bocoran

Logika CMOS memboroskan lebih sedikit daya dibandingkan dengan logika NMOS karena CMOS hanya memboroskan daya hanya saat pensakelaran ("daya dinamis"). Pada proses 90 nanometer modern, pensakelaran keluaran memerlukan waktu 120 pikosekon, dan berulang setiap sepuluh nanosekon. Logika NMOS memboroskan daya ketika keluaran rendah ("daya statis"), karena terdapat jalur dari V_dd ke V_ss melalui resistor beban dan jaringan tipe-n.
Sirkuit CMOS memboroskan daya dengan mengisi kapasitas liar ketika pensakelaran. Muatan yang bergerak adalah perkalian antara kapasitas liar dengan perubahan tegangan. Kalikan dengan frekuensi pensakelaran untuk mendapatkan arus borosan, dan kalikan dengan tegangan lagi untuk mendapatkan borosan daya karakteristik peranti CMOS .
Sebuah borosan daya yang lain ditemukan pada 1990-an saat kabel pada chip menjadi lebih panjang dan lebih tipis. Gerbang CMOS pada ujung kabel tersebut menerima transisi masukan yang lambat. Ditengah-tengah transisi masukan, semua transistor baik NMOS ataupun PMOS untuk sementara hidup bersamaan, dan arus mengalir langsung dari V_dd ke V_ss. Daya yang digunakan disebut daya "linggis". Desain yang hati-hati dimana menghindari kawat penggerak yang terlalu panjang mengurangi borosan ini, dan sekarang daya linggis selalu lebih rendah daripada daya pensakelaran.
Baik transistor NMOS ataupun PMOS memiliki gerbang–sumber tegangan tahan. Desain CMOS yang beroperasi pada tegangan catu yang jauh lebih tinggi dari tegangan tahan (V_dd lebih dari 5 V, dan V_th untuk transistor NMOS dan PMOS adalah 700 mV).
Untuk mempercepat desain, produsen beralih ke bahan gerbang yang memiliki tegangan tahan yang lebih rendah. Sebuah transistor NMOS modern dengan V_th of 200 mV memiliki kebocoran arus pratahan yang signifikan. Desain yang berusaha mengoptimalkan proses pembuatan untuk borosan daya minimum selama operasi telah menekan V_th sehingga bocoran arus kira-kira sama dengan daya pensakelaran. Sebagai akibatnya, peranti tersebut memboroskan daya walaupun tidak terjadi pensakelaran. Pengurangan bocoran daya menggunakan bahan baru dan desain sistem sangat dibutuhkan untuk menjaga eksistensi CMOS. Pabrikan memandang pengenalan dielektrik permitivitas tinggi untuk mengatasi bocoran arus pada gerbang dengan mengganti silikon dioksida dengan bahan yang mempunyai permitivitas lebih tinggi.

CMOS analog

Disamping penggunaan digital, teknologi CMOS juga digunakan untuk penggunaan analog. Sebagai contoh adalah IC op-amp CMOS. Teknologi CMOS juga sering digunakan untuk penggunaan frekuensi radio. Sesungguhnya,teknologi CMOS juga digunakan untuk sirkuit terintegrasi sinyal campuran (analog+digital).

Rentang suhu

Peranti CMOS konvensional bekerja antara suhu -55 °C hingga +125 °C. Ada juga kemungkinan CMOS silikon dapat bekerja hingga 40 kelvin.^[2]