Что такое CMOS? - коротко
CMOS — это технология создания микросхем на основе полевых транзисторов с изолированным затвором, позволяющая значительно снижать энергопотребление. Она широко применяется в процессорах, оперативной памяти и датчиках изображения.
Что такое CMOS? - развернуто
CMOS — это полупроводниковая технология, основанная на полевых транзисторах с изолированным затвором (Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor). Основным отличием этих транзисторов является наличие тонкого диэлектрического слоя между затвором и каналом, что позволяет значительно снизить ток утечки в состоянии покоя. Благодаря этому CMOS‑устройства потребляют минимум энергии, когда не переключаются, и способны работать от небольших напряжений питания.
Технически CMOS‑структура состоит из парных p‑ и n‑канальных полевых транзисторов, соединённых в комплементарной конфигурации. При подаче логического «0» один из транзисторов полностью закрыт, а второй открывается, передавая сигнал без значительных потерь. При логическом «1» ситуация меняется, и вновь один из элементов закрыт, а другой — открыт. Такое противопоставление гарантирует, что в любой момент времени ток течёт только через активный транзистор, а не через оба одновременно, что и обеспечивает низкое статическое потребление энергии.
Преимущества CMOS‑технологии очевидны:
- Низкое энергопотребление — статический ток почти отсутствует, что делает её идеальной для портативных и батарейных устройств.
- Высокая плотность интеграции — позволяющая размещать миллионы и даже миллиарды логических элементов на кристалле небольшого размера.
- Широкий диапазон рабочих напряжений — от нескольких десятков милливольт до нескольких вольт, что упрощает адаптацию к различным системным требованиям.
- Стабильность параметров — небольшие отклонения в характеристиках транзисторов, обеспечивающие предсказуемую работу микросхем.
Недостатки, с которыми сталкиваются инженеры, включают:
- Чувствительность к радиационному воздействию — в космических и высокоэнергетических средах возможны сбои из‑за изменения состояния транзисторов.
- Ограничения по скорости переключения — при очень высоких частотах увеличение переключающих потерь может стать проблемой.
- Сложность производства — требующая высокоточных фотолитографических процессов и чистых условий, что повышает стоимость изготовления.
CMOS‑технология нашла своё применение в самых разных областях. Процессоры и микроконтроллеры, используемые в компьютерах, смартфонах и встраиваемых системах, почти полностью построены на её основе. Аналоговые схемы, такие как датчики изображения (сенсоры CMOS), используют эту технологию для преобразования света в электрический сигнал с высокой чувствительностью. Память типа SRAM, а также большинство логических элементов в ASIC и FPGA, также базируются на CMOS‑принципах.
В современных системах интеграция CMOS‑технологий с другими типами полупроводников (например, с биополупроводниками или с материалами широкого запрещённого диапазона) открывает новые возможности: более эффективные фотодиоды, датчики биологических сигналов и гибкие электронные устройства. Постоянное совершенствование процессов миниатюризации (от 7 нм до субнанометровых узлов) позволяет создавать всё более мощные и энергоэффективные решения, отвечающие требованиям современной электроники.