CMOS Nedir? |
ElektrikPort Akademi

Complementary Metal Oxide Semiconductor (Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken) kelimelerinin baş harfleri ile kısaltılan CMOS, bir tümleşik devre üretim teknolojisi olarak tanımlanabilir. Peki dijital devrelerin neredeyse tamamında kullanılan CMOS nedir? Ne gibi görevleri vardır? Ayrıntılar yazımızda.

A- A+

25.06.2015 tarihli yazı 129571 kez okunmuştur.

CMOS Güç Elektroniği Dijital CMOS Lojik Devreler Entegre Elektronik ElektrikPort Akademi

Genel Olarak CMOS

CMOS elemanı günümüzde en çok entegre devrelerde karşımıza çıkıyor. Ancak CMOS teknolojisi sadece bununla kısıtlı kalmayıp, mikroişlemci, mikrodenetleyici, statik-RAM ve birçok dijital lojik devrede kendini gösteriyor. Ayrıca bu teknoloji N-tipi ve P-tipi olarak adlandırılan NMOS ve PMOS transistörlerin aynı devre üzerinde gerçeklenmesine olanak tanır.

Peki hangi etkenelrden dolayı CMOS günümüzde bu kadar yaygındır?

Birim silisyum alanda en fazla sayıda transistör gerçeklenmesine olanak sağlaması, gerçeklenen devre açık durumda fakat işlem yapmazken neredeyse hiç güç tüketmemesi gibi önemli özellikler olarak bu etkenleri sıralayabiliriz.

Şekil 1: Bilgisayar anakartında BIOS yazılımının kaydedildiği CMOS bellek ve BIOS-CMOS pili

► İlginizi Çekebilir: IGBT Nedir? | ElektrikPort Akademi

Bu gibi özelliklerinin yanı sıra elektronik endüstrisinin düşük maliyet ve düşük güç tüketimi ile uzun pil ömrü sağlanması isteği en çok CMOS tarafından karşılanır. Özellikle dijital fotoğraf makinelerinde tercih edilen CMOS teknolojisi, dijital video çekimine az ısınma özelliğinden dolayı en uygun teknolojidir.

CMOS elemanları genel olarak elektronik gürültüye karşı dayanıklı olmalarına rağmen çok hassas bir yapıya sahip olmaları ile bilinirler. Bünyelerinde koruma sistemleri mevcuttur ancak bazı CMOS türleri elinizdeki statik elektrikten bile etkilenerek bozulabilecek kadar hassastırlar.

Tüm bunlara ek olarak CMOS, sadece dijital devrelerde değil analog devrelerde de kullanılıyor. Kamera sensörleri, data çeviricileri ve telsizler ise akla gelen ilk örneklerdendir.

Şekil 2: CMOS Simgesi

CMOS ne zaman icat edildi?

1963 yılında Frank Wanlass isimli bir Amerikan mühendis tarafından icat edilen CMOS, günümüze kadar pek çok değişikliğe uğradı. En başta COS-MOS (Complementary-Symmetry Metal Oxide Semiconductor; Simetrik Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken) ismine sahipken, MOSFET teknolojisi ile N tipi ve P tipi transistörleri bünyesinde birleştirdikten sonra simetrik denmesine gerek kalmadı ve CMOS ismini aldı.

Şekil 3: CMOS Simgesinin Ayrıntılı Genel Gösterimi

► İlginizi Çekebilir: Geçmişten Günümüze Transistör

Mikroçipler üzerinde lojik fonksiyonların kullanılabilirliğini arttırdığı için CMOS, bilgisayar teknolojisinde de sık sık karşımıza çıkan elemanlardan biridir. Kullanılan yarı iletken ise en başlarda alüminyum oldu. Ancak IBM ve Intel'in araştırmaları ve çalışmaları sayesinde artık günümüzde polisilikon kullanılıyor.

CMOS'un Genel Teknik Detayları

CMOS dendiğinde aslında akla ilk gelmesi gereken dijital devre tasarımı, mikroişlemci devreleri ve güç elektroniği kavramları olmalıdır. Rezistif yüklü devrelere göre daha az enerji tüketimi sağlayan CMOS teknolojisi, 2010 yılında üretilen bilgisayarların en az güç tüketimi ile en yüksek performanslı modeller arasında olmalarını sağladı.

1) Ters Çevirme

CMOS, akım yükseltme veya düşürme işlemini gerçekleştirirken nMOSFET ve pMOSFET gibi davranıp, her iki kapıyı (gate) ve kanalı (drain) da birlikte tamamlar. CMOS bünyesinde belirlenen çalışma voltajının üstünde veya altında bir değer kullanılması ise bu tamamlama işlemini engelleyecektir ve CMOS tam anlamıyla fonksiyonel çalışmayacaktır.

pMOS ve nMOS davranışları ise giriş yüksek iken, çıkış düşük ve giriş düşük iken, çıkış yüksek şeklinde örneklendirilebilir. Yani çıkışta elde edilen veri, girişteki verinin tam tersidir ve CMOS devrelerinin çıkışı ve girişi bu yüzden ters değerlerdedir.

Şekil 4: CMOS İç Yapısı

pMOS ve nMOS yapısı beraberinde CMOS bünyesinde bir ikiliği veya kutupluluğu getiriyor. Bu yüzden de CMOS bünyesinde bulunan pMOS yapısı paralel iken, nMOS yapısı seri olmalıdır. Aynı şekilde pMOS yapısı seri iken, nMOS yapısı paralel olmalıdır.

AND, OR gibi Ve-Veya lojik kapılar ile CMOS devresi bütünleşik olarak kullanılabilir. NAND (Ve Değil) lojik devre yapısı örneğini aşağıdaki şekilden inceleyebilirsiniz. A ve B giriş değerleri mevcut iken, Out ile çıkış değeri elde ediliyor.

Şekil 5: NAND (ve değil) lojik devre yapısı

► İlginizi Çekebilir: Güç Elektroniği ve Endüstriyel Anlamda Karşılığı

2) Güç Karakteristiği ve Güç Elektroniği

CMOS devrelerinde kullanılan güç kaynakları ise VDD, VCC ve VSS şeklindedir. CMOS'un harcadığı enerji ise sadece anahtarlama sırasında oluşur ve dinamik güç ismini alır.

Statik CMOS kapıları enerji tasarrufu açısından son derece etkilidirler çünkü devre boşta iken neredeyse sıfıra yakın bir enerji harcarlar. Bilgisayarlarda ve mikroişlemcilerde CMOS'un bu kadar yaygın olmasının ana sebebi aslında budur.

Şekil 6: CMOS Inverter Devresi

Güç elektroniği alanında ise çok daha büyük güç kapasitesine sahip CMOS modelleri kullanılıyor. Güç elektroniği elemanları olan tristör, triak gibi veya diyot gibi elemanlar ile uyum içerisinde olan CMOS daha çok mikroişlemci destekli güç devrelerinde karşımıza çıkıyor. BJT transistörlerin yetmediği durumlarda da kullanılıyor.

CMOS güç karakteristiği dendiğinde ise 3 kategoriye ayrılır:

1) Statik Güç Dağılımı

nMOS ve pMOS yapılarının eşik gerilimine sahip olması CMOS yapısının da bir eşik gerilimine sahip olmasına yol açıyor. Sıfıra yakın kabul edilen eşik gerilimine sahip olan CMOS çeşidine ise "Doğal CMOS" denir. Eşik geriliminin değeri ise kullanılan malzemeye, devreye ve CMOS çeşidine göre değişiklik gösterir.

Diyotlarda olduğu gibi CMOS bünyesinde de akıma ters yönde olan sızıntı akımları mevcuttur ancak bu akım, diyotlardaki sızıntı akımı değerinden çok daha küçük olduğu için genel olarak çoğu güç hesaplamasında ihmal edilir.

2) Dinamik Güç Dağılımı

CMOS devrelerinde dinamik güç dağılımı, kapasitif yükler sayesinde gerçekleşir. CMOS, bu enerji dağılımına ilk önce yükü, kapasitans değerinde şarj etmek ile başlar. Akım yönü VDD kaynağından kapasitif yüke ve oradan da toprağa doğru olur. Bu durumda CMOS tarafından sağlanan güç formülü ise kapasitans değeri, frekans değeri ve yük voltajının karesinin çarpımına eşittir.

Şekil 7: Fotoğraf Makinesi Sensörlerinde Bulunan CMOS Devre Gösterimi

3) Kısa Devre Güç Dağılımı

Anahtarlama geçişi sırasında CMOS bünyesinde bulunan iki transistör de çok kısa bir süreliğine de olsa aynı anda aktif duruma gelir. Bu sırada akım, VDD kaynağından toprağa doğru en kısa yolu tamamlar ve kısa devre oluşturur. Bu durum CMOS'un zamanla yıpranmasına yol açar.

1990 yılında keşfedilen bu durum, ilk önce kablo kısaltılması ve CMOS yüzey daraltılması gibi işlemlerle giderilmeye çalışıldı. Ancak bu sefer de tasarımsal hatalar ortaya çıktı ve güç kayıpları oluşmasıyla CMOS verimi düştü. Çözüm olarak yeni bir CMOS türü icat edildi: MT-CMOS (Multi-threshold CMOS - Yüksek Eşik Gerilimli CMOS).

Eşik gerilimi değeri çok yüksek seviyelere getirilmiş olan bu CMOS çeşidi, kısa devre akımının gerilimine karşı koyarak kısa devre akımından oluşan verim kaybını minimuma indirgiyor.

CMOS Çeşitleri ve Sıcaklık Etkisi

CMOS'un en sık kullanılan tipinin dijital devrelerde bulunduğunu tekrar belirtelim. Bunun yanında analog devrelerde ise işlemsel yükselticiler kullanılıyor. Sinyal röleleri yerine CMOS tercih edilirken, RF devrelerinde (mikrodalga) de karşımıza CMOS çeşitleri çıkabiliyor. Özel üretilen karışık sinyal devreleri (dijital + analog) de bünyelerinde CMOS barındırabiliyor.

Şekil 8: CMOS Yapısı Üzerine Kurulan Mikroişlemci Gösterimi

► İlginizi Çekebilir: Mikroişlemci ve Mikrodenetleyici Arasındaki Farklar

Nanoteknoloji ile üretilen çok ufak boyutlarda CMOS çeşitleri de mevcut. 20 nm x 20 nm boyutlarında olan özel bir CMOS -250 °C sıcaklıkta bile çalışabiliyor. Bu çalışma karakteristiğini ise her bir elektronu teker teker bünyesinden geçirerek meydana getiriyor.

Standart CMOS'un çalışma sıcaklığı ise -55 °C ile +125 °C aralığındadır. 2008 yılının Ağustos ayında silikon malzemeli CMOS elemanlarının -233 °C'ye kadar soğuğa dayanabileceği yönünde bir araştırma yapıldı ve teoriye dönüştürüldü. Amerikan işlemci üreticisi AMD, Phenom II isimli işlemcisinde sıvı nitrojen ve sıvı helyum soğutma ile belirtilen sıcaklık değerlerine ulaştı.

Kaynak:

► Electronics - howstuffworks
► TechTerms