Bearbeiten von „CMOS“

{{Dieser Artikel|behandelt die Logikfamilie ''CMOS (s.a. [[CMOS-Sensor]])''; zu dem in PCs genutzten Speicher für BIOS-Einstellungen siehe [[CMOS-RAM]].}}
'''<span dir="ltr" lang="en">Complementary metal-oxide-semiconductor</span>''' ([[Englische Sprache|engl.]]; „komplementärer / sich ergänzender Metall-Oxid-[[Halbleiter]]“), Abk. '''CMOS''', ist eine Bezeichnung für Halbleiter[[Elektrisches Bauelement|bauelemente]], bei denen sowohl p-Kanal- als auch n-Kanal-[[MOSFET]]s auf einem gemeinsamen [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]] verwendet werden.<ref>{{Literatur |Autor=R. Jacob Baker |Titel=CMOS circuit design, layout, and simulation |Auflage=Fourth edition |Ort=Hoboken, New Jersey |Datum=2019 |Sprache=en |ISBN=1-119-48151-1}}</ref>

Unter '''CMOS-Technik''' versteht man
* sowohl den verwendeten [[Halbleiterprozess]], der zur Realisierung von [[Integration (Technik)|integrierten]] digitalen wie analogen [[Elektronische Schaltung|Schaltungen]] (ICs) verwendet wird,
* als auch eine [[Logikfamilie]], die 4000er-Serie.
Auch viele nachfolgende Logikfamilien basieren auf der CMOS-Technik. Die Technik wurde 1963 von [[Frank Wanlass]] beim Halbleiterhersteller [[Fairchild Semiconductor]] entwickelt und auch [[patent]]iert.<ref>{{Literatur |Autor=[[Frank Wanlass]], [[Chih-Tang Sah]] |Titel=Nanowatt logic using field-effect metal-oxide semiconductor triodes |Sammelwerk=1963 IEEE International Solid-State Circuits Conference (February 20, 1963). Digest of Technical Papers |Band=Vol.&nbsp;6 |Datum=1963}}</ref><ref>{{Patent | Land=US | V-Nr=3356858 | Titel=Low stand-by power complementary field effect circuitry | Erfinder=Frank M. Wanlass|A-Datum=1963-06-18}}</ref> CMOS-Prozesse sind heutzutage die meistgenutzten für die Herstellung von Logikfamilien-Bausteinen.

== Technik ==
[[Datei:Inverter1.svg|mini|hochkant|[[Nicht-Gatter|Inverter]] in CMOS-Technik]]
Das Grundprinzip der CMOS-Technik in der [[Digitaltechnik]] ist die Kombination von p-Kanal- und n-Kanal-[[Feldeffekttransistor]]en. Dabei wird die gewünschte Logikoperation zum einen in p-Kanal-Technik (als <span dir="ltr" lang="en">Pull-Up</span>-Pfad) und zum anderen in n-Kanal-Technik (als <span dir="ltr" lang="en">Pull-Down</span>-Pfad) entwickelt und in einer [[Elektrische Schaltung|Schaltung]] zusammengeführt. Durch die gleiche Steuerspannung jeweils zweier ''komplementärer'' [[Transistor]]en (einmal n-Kanal, einmal p-Kanal) sperrt immer genau einer, und der andere ist leitend. Eine niedrige Spannung von ca. 0&nbsp;V 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 höheren positiven Spannung und bewirkt, dass nur die n-Kanal-Komponente leitet und somit die Masse mit dem Ausgang verbunden ist.

[[Datei:3d-cmos-loss-diagram.svg|mini|Darstellung der Verlustleistung in Abhängigkeit von Takt und Versorgungsspannung]]
Im Vergleich zur [[NMOS-Logik]] muss zwar immer die doppelte Anzahl von [[Transistor]]en auf einen Chip aufgebracht werden, da der Arbeitswiderstand der NMOS-Realisierung in CMOS durch einen [[PMOS]]-Transistor ersetzt wird. Der PMOS-Transistor lässt sich aber leichter in ICs integrieren als ein [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]]. Ein Widerstand produziert zudem unerwünschte Wärme, solange der Transistor leitend ist. Da auf Widerstände in der CMOS-Technik im Gegensatz zur NMOS-Technik verzichtet werden kann, entsteht ein Vorteil: Der Strom (von der Versorgungsspannung zur Masse) fließt nur im Umschaltmoment. (Bei der NMOS-Realisierung besteht das Problem, dass sich im leitenden Zustand „die starke Null“ (0) ''von unten'' gegenüber „der schwachen Eins“ (H) ''von oben'' durchsetzen muss (vgl. IEEE 1164) und dadurch fortlaufend ein Strom von oben fließt, solange der Transistor leitend bleibt.) Die Stromaufnahme bzw. die Verlustleistung ist also&nbsp;– abgesehen vom wesentlich kleineren Kriechstrom&nbsp;– nur von der Umschalthäufigkeit (Taktfrequenz) und dem Störabstand abhängig. Aus diesem Grund werden die meisten binären integrierten Schaltungen ([[Prozessor]]en, [[Arbeitsspeicher]]) zurzeit mit dieser Technik hergestellt. Die Verlustleistung ist darüber hinaus linear von der Taktfrequenz und quadratisch vom [[Störabstand]] abhängig (siehe Grafik).

Bei analogen Anwendungen werden die hohe Integrierbarkeit und die kapazitive Steuerung genutzt, die die [[MOSFET]]s 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]] hängt von der Art der Schaltungsrealisation ab. (Historische) CMOS-Schaltungen mit diskreten Bauelementen (wie z.&nbsp;B. der 74HCT00) weisen komplett andere Eigenschaften als CMOS-Gatter im Kern aktueller CPUs als [[integrierte Schaltung]] auf. Die Ruheleistungsaufnahme eines 74HCT00 liegt bei etwa 1 bis 2&nbsp;mW pro Gatter, die eines Gatters in [[130-nm-Technologie]] (ca. 2005) im Bereich von 10&nbsp;pW pro Gatter und ist auch vom aktuellen Schaltzustand abhängig (am niedrigsten wenn alle Eingänge auf „low“ und am höchsten wenn der Ausgang auf „low“ liegt).

Gleiches gilt für die Verlustleistung beim Schalten, ein 74HCT00 lag im Bereich von 1&nbsp;mW/MHz, allerdings auch erheblich abhängig von Betriebsspannung und [[Fan-Out]]. Aktuelle integrierte Schaltungen (2010, CPUs, GPUs) liegen im Bereich um 100&nbsp;pW/MHz.<ref>Werte um 2010, können auch schon wieder längt überholt sein</ref>

Die erlaubte Betriebsspannung von CMOS-Schaltungen steht im [[Datenblatt]] und kann zwischen 1,0&nbsp;V über 1,8&nbsp;V und 3,3&nbsp;V bei vielen Digital-CMOS liegen, bis zu 15&nbsp;V bei [[Kleinsignal]]-ICs (MOS 4047) erreichen und bei Leistungs-CMOS (Class-D-Amps) bei Werten über 100&nbsp;V liegen.

CMOS-Eingänge sind empfindlich gegenüber [[Statische Aufladung|statischen Aufladungen]], Überspannungen und Spannungen außerhalb der anliegenden Betriebsspannung, weshalb vor CMOS-Eingänge, wenn technisch möglich, ein- oder zweistufige Schutzschaltungen gesetzt werden. Zum Beispiel werden [[Diode]]n gegen die beiden Betriebsspannungen oder spezielle Schutzschaltungen wie [[GgNMOS]] vorgesehen. Weiterhin besteht bei CMOS-Schaltungen und bei Überspannungen an den Eingängen das Problem des sogenannten „[[Latch-Up-Effekt|Latch-Ups]]“.

== Spezielle Arten ==
[[Datei:Bicmos inverter.png|mini|hochkant|Inverter in BiCMOS-Technik]]

=== HC/HCT-CMOS ===
Unter '''HC-CMOS-Technik''' (H steht für {{lang|en|''High Speed''}}) versteht man die Weiterentwicklung der [[Logikfamilie#CMOS|CMOS-4000-Logikfamilie]], um die Geschwindigkeit der [[Transistor-Transistor-Logik|LS-TTL-Familie]] zu erreichen. HC-Eingänge sind allerdings nicht voll kompatibel zu TTL-Ausgangspegeln. Daher wurde die '''HCT-CMOS-Technik''' entwickelt, bei der die CMOS-Transistorstruktur an die Ausgangsspannungspegel der TTL-Familie bei voller Pin-Kompatibilität zu diesen angepasst wurde.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-368.pdf |text=''An Introduction to and Comparison of 74HCT TTL Compatible CMOS Logic.'' Fairchild Semiconductor, Application Note 368, März 1984 |wayback=20130924080448}} (PDF; 85&nbsp;kB) Abgerufen am 5. März 2013</ref> Ein Mischen bzw. eine Kombination von TTL-mit HCT-CMOS-Schaltungen ist damit uneingeschränkt möglich.

=== BiCMOS ===
{{Hauptartikel|Bipolar-CMOS-Technik}}
Unter der [[Bipolar-CMOS-Technik|BiCMOS-Technik]] versteht man eine Schaltungstechnik, bei der [[Feldeffekttransistor]]en mit [[Bipolartransistor]]en kombiniert werden. Dabei werden sowohl der Eingang als auch die logische Verknüpfung in CMOS-Technik realisiert&nbsp;– 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 in [[Logikschaltung]]en üblicherweise zwei weitere Transistoren und zwei Widerstände in der Schaltung benötigt. Das Eingangsverhalten entspricht einer CMOS-Schaltung, das Ausgabeverhalten einer TTL-Schaltung.

Mit BiCMOS gelingt es weiterhin, Logikschaltungen mit [[Leistungselektronik|leistungselektronischen]] Schaltungsteilen auf einem [[Die (Halbleitertechnik)|Chip]] zu vereinen. Beispiele sind [[Schaltregler]], die direkt an der gleichgerichteten [[Netzspannung]] betrieben werden können.

== Anwendungsgebiete ==
Die CMOS-Technik eignet sich durch ihren geringen Leistungsbedarf besonders für die Herstellung von integrierten Schaltungen. Diese finden Verwendung in allen Bereichen der Elektronik, zum Beispiel Digitaluhren oder in der Kfz-Elektronik. Außerdem werden mit ihr Speicherelemente, Mikroprozessoren und Sensoren (zum Beispiel [[Fotodetektor]]en in Form von [[CMOS-Sensor]]en für die [[Digitalfotografie]] oder [[Spektroskopie]]) gefertigt.

Auch bei analogen Anwendungen wird die CMOS-Technik eingesetzt. So sind CMOS-[[Operationsverstärker]] erhältlich, die sich durch einen extrem hohen Eingangswiderstand und geringe Versorgungsspannung auszeichnen.<ref>{{Literatur |Autor=László Palotas |Titel=Elektronik für Ingenieure |Verlag=Vieweg+Teubner Verlag |Datum=2003 |ISBN=3-528-03915-9 |Seiten=317ff}}</ref>

== Literatur ==
{{Siehe auch|Mikroelektronik}}
* {{Literatur |Autor=R. Jacob Baker |Titel=CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation |Auflage=4th |Verlag=Wiley, IEEE Press |Ort=Piscataway, NJ |Jahr=2019 |Sprache=en |Reihe=IEEE Press series on microelectronic systems |BandReihe=22 |ISBN=978-1-119-48151-5}}
* {{Literatur |Autor=R. Jacob Baker |Titel=CMOS Mixed-Signal Circuit Design |Auflage=2nd |Verlag=IEEE Press, Wiley |Ort=Piscataway, NJ : Hoboken, N.J |Jahr=2009 |Sprache=en |Reihe=IEEE Press series on microelectronic systems |ISBN=978-0-470-29026-2}}
* {{Literatur |Autor=Thomas Giebel |Titel=Grundlagen der CMOS-Technologie |Verlag=Vieweg+Teubner Verlag |Ort=Wiesbaden |Jahr=2002 |ISBN=978-3-519-00350-2 |DOI=10.1007/978-3-663-07914-9}}
* {{Literatur |Autor=[[Simon M. Sze]], Yiming Li, Kwok K. Ng |Titel=Physik der Halbleiterbauelemente |Verlag=WILEY-VCH |Ort=Weinheim |Jahr=2022 |ISBN=978-3-527-41389-8}}

== Siehe auch ==
* [[HMOS]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Mikroelektronik]]
[[Kategorie:Digitale Schaltungstechnik]]