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Semiconductor complementario de óxido metálico

Agosto 06, 2021

El semiconductor complementario de óxido metálico o complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de forma tal que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas, colocado en la placa base.

Circuito inversor en tecnología CMOS.
Circuito inversor en tecnología CMOS.
Circuito inversor en tecnología CMOS.
Este artículo o sección tiene referencias, pero necesita más para complementar su verificabilidad.
Este aviso fue puesto el 31 de octubre de 2015.

En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican usan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales de consumo considerablemente bajo.

Drenador (D) conectada a tierra (Vss), con valor 0; el valor 0 no se propaga al surtidor (S) y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pMOS, por el contrario, está en estado de conducción y es el que propaga valor 1 (Vdd) a la salida.

Otra característica importante de los circuitos CMOS es que son “regenerativos”: una señal degradada que acometa una puerta lógica CMOS se verá restaurada a su valor lógico inicial 0 o 1, siempre que aún esté dentro de los márgenes de ruido que el circuito pueda tolerar.[1]​

Historia

La tecnología CMOS fue desarrollada por Wanlass y Sah,[2]​ de Fairchild Semiconductor, a principios de los años 1960. Sin embargo, su introducción comercial se debe a RCA, con su famosa familia lógica CD4000.

Posteriormente, la introducción de un búfer y mejoras en el proceso de oxidación local condujeron a la introducción de la serie 4000B, de gran éxito debido a su bajo consumo (prácticamente cero, en condiciones estáticas) y gran margen de alimentación (de 3 a 18 V).

RCA también fabricó LSI en esta tecnología, como su familia COSMAC de amplia aceptación en determinados sectores, a pesar de ser un producto caro, debido a la mayor dificultad de fabricación frente a dispositivos NMOS.

Pero su talón de Aquiles consistía en su reducida velocidad. Cuando se aumenta la frecuencia de reloj, su consumo sube proporcionalmente, haciéndose mayor que el de otras tecnologías. Esto se debe a dos factores:

El otro factor negativo era la complejidad que conlleva el fabricar los dos tipos de transistores, que obliga a utilizar un mayor número de máscaras.

Por estos motivos, a comienzos de los 80, algunos autores pronosticaban el final de la tecnología CMOS, que sería sustituida por la novedosa I2L, entonces prometedora.

Esta fue la situación durante una década, para, en los ochenta, cambia el escenario rápidamente:

  • Por un lado, las mejoras en los materiales, técnicas de litografía y fabricación, permitían reducir el tamaño de los transistores, con lo que la capacidad MOS resultaba cada vez menor.
  • Por otro, la integración de dispositivos cada vez más complejos obligaba a la introducción de un mayor número de máscaras para asegurar el aislamiento entre transistores, de modo que no era más difícil la fabricación de CMOS que de NMOS.

En este momento empezó un eclosión de memorias CMOS, pitos de 256x4 bits de la 5101 a 2kx8 de la 6116 y 8Kx8 en la 6264, superando, tanto en capacidad como consumo reducido y velocidad a sus contrapartidas NMOS. También los microprocesadores, NMOS hasta la fecha, comenzaron a aparecer en versiones CMOS (80C85, 80C88, 65C02, etc.).

Y aparecieron nuevas familias lógicas, HC y HCT en competencia directa con la TTL-LS, dominadora del sector digital hasta el momento.

Para entender la velocidad de estos nuevos CMOS, hay que considerar la arquitectura de los circuitos NMOS:

  • Uso de cargas activas. Esto es, un transistor se polariza con otros transistores y no con resistencias debido al menor tamaño de aquellos. Además, el transistor MOS funciona fácilmente como fuente de corriente constante. Entonces un inversor se hace conectando el transistor inversor a la carga activa. Cuando se satura el transistor, drena toda la corriente de la carga y el nivel da salida baja. Cuando se corta, la carga activa inyecta corriente hasta que el nivel de salida sube. Y aquí está el compromiso: es deseable una corriente pequeña porque reduce la necesidad de superficie en el silicio (transistores más pequeños) y la disipación (menor consumo). Pero las transiciones de nivel bajo a nivel alto se realizan porque la carga activa carga la capacidad MOS del siguiente transistor, además de las capacidades parásitas que existan, por lo que una corriente elevada es mejor, pues se cargan las capacidades rápidamente.
  • Estructuras de almacenamiento dinámicas. La propia capacidad MOS se puede utilizar para retener la información durante cortos periodos de tiempo. Este medio ahorra transistores frente al biestable estático. Como la capacidad MOS es relativamente pequeña, en esta aplicación hay que usar transistores grandes y corrientes reducidas, lo que lleva a un dispositivo lento.

La tecnología CMOS mejora estos dos factores:

  • Elimina la carga activa. La estructura complementaria hace que solo se consuma corriente en las transiciones, de modo que el transistor de canal P puede aportar la corriente necesaria para cargar rápidamente las capacidades parásitas, con un transistor de canal N más pequeño, de modo que la célula resulta más pequeña que su contrapartida en NMOS.
  • En CMOS se suelen sustituir los registros dinámicos por estáticos, debido a que así se puede bajar el reloj hasta cero y las reducidas dimensiones y bajo consumo de la celda CMOS ya no hacen tan atractivos los registros dinámicos.

Por último, se suelen emplear transistores pequeños, poniendo una celda mayor para la interfaz con las patillas, ya que las necesidades de corriente son mucho mayores en las líneas de salida del chip.

La disminución del tamaño de los transistores y otras mejoras condujo a nuevas familias CMOS: AC, ACT, ACQ, etc.

CMOS analógicos

Los transistores MOS también se emplean en circuitos analógicos, debido a dos características importantes, a saber.

Alta impedancia de entrada

La puerta de un transistor MOS viene a ser un pequeño condensador, por lo que no existe corriente de polarización. Un transistor, para que pueda funcionar, necesita tensión de polarización.

Baja resistencia de canal

Un MOS saturado se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la superficie del transistor. Es decir, que si se le piden corrientes reducidas, la caída de tensión en el transistor llega a ser muy reducida.

Estas características posibilitan la fabricación de amplificadores operacionales "Rail-to-Rail", en los que el margen de la tensión de salida abarca desde la alimentación negativa a la positiva. También es útil en el diseño de reguladores de tensión lineales y fuentes conmutadas.

CMOS y bipolar

Se emplean circuitos mixtos bipolar y CMOS tanto en circuitos analógicos como digitales, en un intento de aprovechar lo mejor de ambas tecnologías. En el ámbito analógico destaca la tecnología BiCMOS, que permite mantener la velocidad y precisión de los circuitos bipolares, pero con la alta impedancia de entrada y márgenes de tensión CMOS. En cuanto a las familias digitales, la idea es cortar las líneas de corriente entre alimentación y masa de un circuito bipolar, colocando transistores MOS. Esto debido a que un transistor bipolar se controla por corriente, mientras que uno MOS, por tensión.

La relevancia de estos inconvenientes es muy baja en el diseño microelectrónico actual.

Ventajas e inconvenientes del CMOS

Ventajas

La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales:

  • El bajo consumo de potencia estática, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS solo experimentará corrientes parásitas. Esto es debido a que en ninguno de los dos estados lógicos existe un camino directo entre la fuente de alimentación y el terminal de tierra, o lo que es lo mismo, uno de los dos transistores que forman el inversor CMOS básico se encuentra en la región de corte en estado estacionario.
  • Gracias a su carácter regenerativo, los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradación de señal debido a la impedancia del metal de interconexión.
  • Los circuitos CMOS son sencillos de diseñar.
  • La tecnología de fabricación está muy desarrollada, y es posible conseguir densidades de integración muy altas a un precio mucho menor que otras tecnologías.
Inconvenientes

Algunos de los inconvenientes son los siguientes:

  • Debido al carácter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nMOS-pMOS, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lógicas.
  • Son vulnerables a latch-up: Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura CMOS que entra en conducción cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentación de los circuitos integrados. El latch-up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación que acarrea la destrucción del dispositivo. Siguiendo las técnicas de diseño adecuadas este riesgo es prácticamente nulo. Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusión con suficiente regularidad, para asegurarse de que está sólidamente conectado a masa o alimentación.
  • Según se va reduciendo el tamaño de los transistores, las corrientes parásitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinámicas (debidas a la conmutación de los dispositivos).

Problemas

Hay tres problemas principales relacionados con la tecnología CMOS, aunque no son exclusivos de ella.

Sensibilidad a las cargas estáticas

Históricamente, este problema se ha resuelto mediante protecciones en las entradas del circuito. Pueden ser diodos en inversa conectados a masa y a la alimentación, que, además de proteger el dispositivo, reducen los transitorios o zener conectados a masa. Este último método permite quitar la alimentación de un solo dispositivo.

Latch-up

Artículo principal: Latch-up

Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura cmos que se dispara cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad cuando existen transitorios por usar líneas largas mal adaptadas, excesiva impedancia en la alimentación o alimentación mal desacoplada. El Latch-Up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación, de modo que, si no se ha previsto, acarrea la destrucción del dispositivo. Las últimas tecnologías se anuncian como inmunes al latch-up.

Resistencia a la radiación

El comportamiento de la estructura MOS es sumamente sensible a la existencia de cargas atrapadas en el óxido. Una partícula alfa o beta que atraviese un chip CMOS puede dejar cargas a su paso, cambiando la tensión umbral de los transistores y deteriorando o inutilizando el dispositivo. Por ello existen circuitos "endurecidos" (Hardened), fabricados habitualmente en silicio sobre aislante (SOI).

Referencias

  1. «LA TECNOLOGÍA CMOS». Consultado el 7 de junio de 2019. 
  2. F. M. Wanlass; C.T. Sah (febrero de 1963). "Nanowatt Logic Using Field-Effect Metal. Oxide Semiconductor Triodes", Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. 1963 IEEE International (en inglés) VI. pp. 32 y 33. 

Véase también

Enlaces externos

  •   Datos: Q173431
  •   Multimedia: CMOS

Agosto 06, 2021
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El semiconductor complementario de oxido metalico o complementary metal oxide semiconductor CMOS es una de las familias logicas empleadas en la fabricacion de circuitos integrados Su principal caracteristica consiste en la utilizacion conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de forma tal que en estado de reposo el consumo de energia es unicamente el debido a las corrientes parasitas colocado en la placa base Circuito inversor en tecnologia CMOS Circuito inversor en tecnologia CMOS Circuito inversor en tecnologia CMOS Este articulo o seccion tiene referencias pero necesita mas para complementar su verificabilidad Este aviso fue puesto el 31 de octubre de 2015 En la actualidad la mayoria de los circuitos integrados que se fabrican usan la tecnologia CMOS Esto incluye microprocesadores memorias procesadores digitales de senales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales de consumo considerablemente bajo Drenador D conectada a tierra Vss con valor 0 el valor 0 no se propaga al surtidor S y por lo tanto a la salida de la puerta logica El transistor pMOS por el contrario esta en estado de conduccion y es el que propaga valor 1 Vdd a la salida Otra caracteristica importante de los circuitos CMOS es que son regenerativos una senal degradada que acometa una puerta logica CMOS se vera restaurada a su valor logico inicial 0 o 1 siempre que aun este dentro de los margenes de ruido que el circuito pueda tolerar 1 Indice 1 Historia 2 CMOS analogicos 2 1 Alta impedancia de entrada 2 2 Baja resistencia de canal 3 CMOS y bipolar 4 Ventajas e inconvenientes del CMOS 5 Problemas 5 1 Sensibilidad a las cargas estaticas 5 2 Latch up 5 3 Resistencia a la radiacion 6 Referencias 7 Vease tambien 8 Enlaces externosHistoria EditarLa tecnologia CMOS fue desarrollada por Wanlass y Sah 2 de Fairchild Semiconductor a principios de los anos 1960 Sin embargo su introduccion comercial se debe a RCA con su famosa familia logica CD4000 Posteriormente la introduccion de un bufer y mejoras en el proceso de oxidacion local condujeron a la introduccion de la serie 4000B de gran exito debido a su bajo consumo practicamente cero en condiciones estaticas y gran margen de alimentacion de 3 a 18 V RCA tambien fabrico LSI en esta tecnologia como su familia COSMAC de amplia aceptacion en determinados sectores a pesar de ser un producto caro debido a la mayor dificultad de fabricacion frente a dispositivos NMOS Pero su talon de Aquiles consistia en su reducida velocidad Cuando se aumenta la frecuencia de reloj su consumo sube proporcionalmente haciendose mayor que el de otras tecnologias Esto se debe a dos factores La capacidad MOS intrinseca a los transistores MOS La utilizacion de MOS de canal P mas lentos que los de canal N por ser la movilidad de los huecos menor que la de los electrones El otro factor negativo era la complejidad que conlleva el fabricar los dos tipos de transistores que obliga a utilizar un mayor numero de mascaras Por estos motivos a comienzos de los 80 algunos autores pronosticaban el final de la tecnologia CMOS que seria sustituida por la novedosa I2L entonces prometedora Esta fue la situacion durante una decada para en los ochenta cambia el escenario rapidamente Por un lado las mejoras en los materiales tecnicas de litografia y fabricacion permitian reducir el tamano de los transistores con lo que la capacidad MOS resultaba cada vez menor Por otro la integracion de dispositivos cada vez mas complejos obligaba a la introduccion de un mayor numero de mascaras para asegurar el aislamiento entre transistores de modo que no era mas dificil la fabricacion de CMOS que de NMOS En este momento empezo un eclosion de memorias CMOS pitos de 256x4 bits de la 5101 a 2kx8 de la 6116 y 8Kx8 en la 6264 superando tanto en capacidad como consumo reducido y velocidad a sus contrapartidas NMOS Tambien los microprocesadores NMOS hasta la fecha comenzaron a aparecer en versiones CMOS 80C85 80C88 65C02 etc Y aparecieron nuevas familias logicas HC y HCT en competencia directa con la TTL LS dominadora del sector digital hasta el momento Para entender la velocidad de estos nuevos CMOS hay que considerar la arquitectura de los circuitos NMOS Uso de cargas activas Esto es un transistor se polariza con otros transistores y no con resistencias debido al menor tamano de aquellos Ademas el transistor MOS funciona facilmente como fuente de corriente constante Entonces un inversor se hace conectando el transistor inversor a la carga activa Cuando se satura el transistor drena toda la corriente de la carga y el nivel da salida baja Cuando se corta la carga activa inyecta corriente hasta que el nivel de salida sube Y aqui esta el compromiso es deseable una corriente pequena porque reduce la necesidad de superficie en el silicio transistores mas pequenos y la disipacion menor consumo Pero las transiciones de nivel bajo a nivel alto se realizan porque la carga activa carga la capacidad MOS del siguiente transistor ademas de las capacidades parasitas que existan por lo que una corriente elevada es mejor pues se cargan las capacidades rapidamente Estructuras de almacenamiento dinamicas La propia capacidad MOS se puede utilizar para retener la informacion durante cortos periodos de tiempo Este medio ahorra transistores frente al biestable estatico Como la capacidad MOS es relativamente pequena en esta aplicacion hay que usar transistores grandes y corrientes reducidas lo que lleva a un dispositivo lento La tecnologia CMOS mejora estos dos factores Elimina la carga activa La estructura complementaria hace que solo se consuma corriente en las transiciones de modo que el transistor de canal P puede aportar la corriente necesaria para cargar rapidamente las capacidades parasitas con un transistor de canal N mas pequeno de modo que la celula resulta mas pequena que su contrapartida en NMOS En CMOS se suelen sustituir los registros dinamicos por estaticos debido a que asi se puede bajar el reloj hasta cero y las reducidas dimensiones y bajo consumo de la celda CMOS ya no hacen tan atractivos los registros dinamicos Por ultimo se suelen emplear transistores pequenos poniendo una celda mayor para la interfaz con las patillas ya que las necesidades de corriente son mucho mayores en las lineas de salida del chip La disminucion del tamano de los transistores y otras mejoras condujo a nuevas familias CMOS AC ACT ACQ etc CMOS analogicos EditarLos transistores MOS tambien se emplean en circuitos analogicos debido a dos caracteristicas importantes a saber Alta impedancia de entrada Editar La puerta de un transistor MOS viene a ser un pequeno condensador por lo que no existe corriente de polarizacion Un transistor para que pueda funcionar necesita tension de polarizacion Baja resistencia de canal Editar Un MOS saturado se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la superficie del transistor Es decir que si se le piden corrientes reducidas la caida de tension en el transistor llega a ser muy reducida Estas caracteristicas posibilitan la fabricacion de amplificadores operacionales Rail to Rail en los que el margen de la tension de salida abarca desde la alimentacion negativa a la positiva Tambien es util en el diseno de reguladores de tension lineales y fuentes conmutadas CMOS y bipolar EditarSe emplean circuitos mixtos bipolar y CMOS tanto en circuitos analogicos como digitales en un intento de aprovechar lo mejor de ambas tecnologias En el ambito analogico destaca la tecnologia BiCMOS que permite mantener la velocidad y precision de los circuitos bipolares pero con la alta impedancia de entrada y margenes de tension CMOS En cuanto a las familias digitales la idea es cortar las lineas de corriente entre alimentacion y masa de un circuito bipolar colocando transistores MOS Esto debido a que un transistor bipolar se controla por corriente mientras que uno MOS por tension La relevancia de estos inconvenientes es muy baja en el diseno microelectronico actual Ventajas e inconvenientes del CMOS EditarVentajasLa familia logica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricacion de circuitos integrados digitales El bajo consumo de potencia estatica gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que en estado de reposo un circuito CMOS solo experimentara corrientes parasitas Esto es debido a que en ninguno de los dos estados logicos existe un camino directo entre la fuente de alimentacion y el terminal de tierra o lo que es lo mismo uno de los dos transistores que forman el inversor CMOS basico se encuentra en la region de corte en estado estacionario Gracias a su caracter regenerativo los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradacion de senal debido a la impedancia del metal de interconexion Los circuitos CMOS son sencillos de disenar La tecnologia de fabricacion esta muy desarrollada y es posible conseguir densidades de integracion muy altas a un precio mucho menor que otras tecnologias InconvenientesAlgunos de los inconvenientes son los siguientes Debido al caracter capacitivo de los transistores MOSFET y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nMOS pMOS la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias logicas Son vulnerables a latch up Consiste en la existencia de un tiristor parasito en la estructura CMOS que entra en conduccion cuando la salida supera la alimentacion Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentacion de los circuitos integrados El latch up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentacion que acarrea la destruccion del dispositivo Siguiendo las tecnicas de diseno adecuadas este riesgo es practicamente nulo Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusion con suficiente regularidad para asegurarse de que esta solidamente conectado a masa o alimentacion Segun se va reduciendo el tamano de los transistores las corrientes parasitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinamicas debidas a la conmutacion de los dispositivos Problemas EditarHay tres problemas principales relacionados con la tecnologia CMOS aunque no son exclusivos de ella Sensibilidad a las cargas estaticas Editar Historicamente este problema se ha resuelto mediante protecciones en las entradas del circuito Pueden ser diodos en inversa conectados a masa y a la alimentacion que ademas de proteger el dispositivo reducen los transitorios o zener conectados a masa Este ultimo metodo permite quitar la alimentacion de un solo dispositivo Latch up Editar Articulo principal Latch up Consiste en la existencia de un tiristor parasito en la estructura cmos que se dispara cuando la salida supera la alimentacion Esto se produce con relativa facilidad cuando existen transitorios por usar lineas largas mal adaptadas excesiva impedancia en la alimentacion o alimentacion mal desacoplada El Latch Up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentacion de modo que si no se ha previsto acarrea la destruccion del dispositivo Las ultimas tecnologias se anuncian como inmunes al latch up Resistencia a la radiacion Editar El comportamiento de la estructura MOS es sumamente sensible a la existencia de cargas atrapadas en el oxido Una particula alfa o beta que atraviese un chip CMOS puede dejar cargas a su paso cambiando la tension umbral de los transistores y deteriorando o inutilizando el dispositivo Por ello existen circuitos endurecidos Hardened fabricados habitualmente en silicio sobre aislante SOI Referencias Editar LA TECNOLOGIA CMOS Consultado el 7 de junio de 2019 F M Wanlass C T Sah febrero de 1963 Nanowatt Logic Using Field Effect Metal Oxide Semiconductor Triodes Solid State Circuits Conference Digest of Technical Papers 1963 IEEE International en ingles VI pp 32 y 33 Vease tambien EditarBIOSEnlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una categoria multimedia 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