Complementary metal-oxide-semiconductor

Grundidee und Bedeutung

CMOS bezeichnet Halbleiterbauelemente, bei denen p-Kanal- und n-Kanal-MOSFETs gemeinsam auf einem Substrat eingesetzt werden. MOSFETs sind Feldeffekttransistoren, die durch eine Spannung gesteuert werden. Der Ausdruck CMOS-Technik meint sowohl den Halbleiterprozess zur Herstellung integrierter digitaler und analoger Schaltungen als auch die Logikfamilie der 4000er-Serie. Viele spätere Logikfamilien beruhen ebenfalls darauf.

CMOS ist heute der meistgenutzte Herstellungsprozess für Logikbausteine. Wesentliche Gründe dafür sind der geringe Leistungsbedarf, die hohe Integrationsdichte und die vielseitige Verwendbarkeit in digitalen und analogen Schaltungen.

Funktionsprinzip

Digitale CMOS-Schaltungen kombinieren komplementäre, also einander ergänzende p-Kanal- und n-Kanal-Transistoren. Die gewünschte Logikoperation wird sowohl als Pull-Up-Pfad aus p-Kanal-Transistoren als auch als Pull-Down-Pfad aus n-Kanal-Transistoren aufgebaut. Der Pull-Up-Pfad verbindet den Ausgang mit der Versorgungsspannung, der Pull-Down-Pfad mit der Masse.

Beim CMOS-Inverter steuert dieselbe Eingangsspannung je einen p-Kanal- und einen n-Kanal-Transistor. Dabei sperrt immer einer, während der andere leitet. Eine niedrige Eingangsspannung von etwa 0 V entspricht der logischen „0“: Der p-Kanal-Transistor leitet und verbindet die Versorgungsspannung mit dem Ausgang, sodass dort eine logische „1“ entsteht. Eine höhere positive Eingangsspannung entspricht der logischen „1“: Der n-Kanal-Transistor leitet und verbindet den Ausgang mit der Masse, sodass dort eine logische „0“ entsteht.

Gegenüber der NMOS-Logik benötigt CMOS zwar ungefähr doppelt so viele Transistoren, weil der Arbeitswiderstand der NMOS-Schaltung durch einen PMOS-Transistor ersetzt wird. Dieser lässt sich jedoch leichter in integrierte Schaltungen einbauen als ein Widerstand. Außerdem erzeugt ein Widerstand im leitenden Zustand unerwünschte Wärme. Bei CMOS fließt daher im Wesentlichen nur während des Umschaltens Strom von der Versorgungsspannung zur Masse; zusätzlich besteht ein deutlich kleinerer Kriechstrom.

Die Verlustleistung hängt deshalb vor allem von der Umschalthäufigkeit beziehungsweise Taktfrequenz und vom Störabstand ab. Sie steigt linear mit der Taktfrequenz und quadratisch mit dem Störabstand. In analogen Schaltungen nutzt man die hohe Integrierbarkeit und kapazitive Steuerung der MOSFETs. Aktive Lasten wie Stromspiegel können Widerstände ersetzen und dadurch Rauschabhängigkeiten sowie andere unerwünschte Effekte verringern. Die große Frequenzbandbreite ermöglicht zudem breitbandige Schaltungen.

Elektrische Eigenschaften und Schutz

Die Leistungsaufnahme hängt stark von Aufbau, Technologie, Betriebsspannung und Belastung ab. Historische CMOS-Schaltungen mit diskreten Bauelementen unterscheiden sich deutlich von den integrierten CMOS-Gattern moderner Prozessoren. Beim 74HCT00 beträgt die Ruheleistungsaufnahme etwa 1 bis 2 mW pro Gatter. Ein Gatter in 130-nm-Technologie aus der Zeit um 2005 benötigt dagegen etwa 10 pW. Dieser Wert hängt auch vom Schaltzustand ab: Er ist am niedrigsten, wenn alle Eingänge auf „low“ liegen, und am höchsten, wenn der Ausgang auf „low“ liegt.

Auch beim Schalten bestehen große Unterschiede. Beim 74HCT00 liegt die Verlustleistung ungefähr bei 1 mW/MHz, wobei sie erheblich von Betriebsspannung und Fan-Out abhängt. Fan-Out bezeichnet die Anzahl beziehungsweise Belastung der Eingänge, die ein Ausgang antreibt. In integrierten Schaltungen wie CPUs und GPUs lag der Wert 2010 ungefähr bei 100 pW/MHz.

Die erlaubte Betriebsspannung muss dem jeweiligen Datenblatt entnommen werden. Bei vielen digitalen CMOS-Schaltungen beträgt sie beispielsweise 1,0 V, 1,8 V oder 3,3 V. Kleinsignal-ICs wie der MOS 4047 können bis zu 15 V erreichen, Leistungs-CMOS-Schaltungen wie Class-D-Verstärker Werte über 100 V.

CMOS-Eingänge reagieren empfindlich auf statische Aufladung, Überspannung und Spannungen außerhalb der anliegenden Betriebsspannung. Wenn technisch möglich, werden deshalb ein- oder zweistufige Schutzschaltungen vorgeschaltet, etwa Dioden zu den beiden Betriebsspannungen oder besondere Schutzstrukturen wie GgNMOS. Bei Überspannungen an den Eingängen kann außerdem ein sogenannter Latch-Up auftreten.

Weiterentwicklungen

HC-CMOS ist eine schnellere Weiterentwicklung der CMOS-4000-Logikfamilie; „H“ steht für „High Speed“. Sie wurde entwickelt, um die Geschwindigkeit der LS-TTL-Familie zu erreichen. Die Eingänge von HC-CMOS sind jedoch nicht vollständig mit den Ausgangspegeln von TTL kompatibel.

HCT-CMOS passt deshalb die CMOS-Transistorstruktur an die Ausgangsspannungspegel der TTL-Familie an und ist zugleich pin-kompatibel. TTL- und HCT-CMOS-Schaltungen können dadurch uneingeschränkt miteinander kombiniert werden.

BiCMOS verbindet Feldeffekttransistoren mit Bipolartransistoren. Eingang und logische Verknüpfung werden in CMOS-Technik ausgeführt und besitzen deren Vorteile. In der Ausgangsstufe kommen Bipolartransistoren zum Einsatz. Sie ermöglichen eine hohe Stromtreiberfähigkeit und machen das Verhalten weniger abhängig von einer kapazitiven Last. Üblicherweise werden dafür zwei zusätzliche Transistoren und zwei Widerstände benötigt. Das Eingangsverhalten entspricht CMOS, das Ausgangsverhalten TTL. BiCMOS erlaubt außerdem, Logik und leistungselektronische Schaltungsteile auf einem Chip zu vereinen, etwa bei Schaltreglern, die direkt an gleichgerichteter Netzspannung betrieben werden können.

Anwendungen

Wegen ihres geringen Leistungsbedarfs eignet sich die CMOS-Technik besonders für integrierte Schaltungen und wird in praktisch allen Bereichen der Elektronik verwendet. Beispiele sind Digitaluhren und die Kfz-Elektronik. Auch Speicherelemente, Mikroprozessoren und Sensoren werden damit gefertigt.

Zu den Sensoranwendungen gehören Fotodetektoren in Form von CMOS-Sensoren für Digitalfotografie und Spektroskopie. In der Analogtechnik gibt es unter anderem CMOS-Operationsverstärker. Diese zeichnen sich durch einen extrem hohen Eingangswiderstand und eine geringe erforderliche Versorgungsspannung aus.