CMOS

Komplementaarinen metallioksidipuolijohde eli CMOS (engl. complementary metal-oxide semiconductor) on kanavatransistoreihin perustuva mikropiiritekniikka, jota käytetään digitaalipiireissä, ja nykyään myös radiotaajuisissa piireissä. CMOS on yleinen logiikkapiiriperhe. CMOS-tekniikalla valmistetaan logiikkaporttipiirejä ja mikroprosessoreja.

CMOS-prosessin kehittivät Chih-Tang Sah ja Frank Wanlass Fairchild Semiconductorilla, jotka julkaisivat artikkelin vuonna 1963.^[1] Logiikkapiirit p- ja n-kanavien MOS-transistoreilla olivat lähellä nollaa virrankulutuksessa.^[1] Frank Wanlass haki CMOS-tekniikalle patenttia (US 3356858 A) vuonna 1963.^[2] Ensimmäiset yleiskäyttöiset CMOS-logiikkapiirit julkaisi RCA vuonna 1968.^[3] Ensimmäiset CMOS-tekniikkaa käyttävät piirit ilmestyivät kuluttajille paristokäyttöisissä digitaalikelloissa.^[1]

CMOS-ohutkalvorakenne perustuu symmetrisiin ylös- ja alasvetäviin linjoihin; jokainen signaalijohdin on aina transistorilla yhdistetty sekä 0- että 1-johtoihin. Näistä transistoreista toinen on aina auki, toinen kiinni.

Ennen CMOS-tekniikkaa oli käytössä tekniikka, jossa transistoreita oli vain yksi, ja toisessa välissä oli vastus. Tästä oli seurauksena se, että aina signaalin ollessa "väärässä asennossa" vastuksen läpi virtasi sähkövirta, joka aiheutti piirille suuren sähkönkulutuksen, vaikka piiri ei vaihtaisikaan tilaa.

CMOS mahdollisti selvästi pienemmän virrankulutuksen, koska auki olevan transistorin läpi ei teoriassa kulje virtaa, ja sähkövirran tarvitsee kulkea transistoreiden läpi vain kun signaalin tila muuttuu.

CMOS-tekniikalla pääsi jopa 15 mA virtaan verrattuna 110 mA virtaan.^[4] CMOS oli kuitenkin hidas ja NMOS säilyi käytössä nopeutta vaativissa kohteissa.^[4]

Piirien valmistustekniikan kehityttyä ja piirien käytyä hyvin pieniksi myös auki olevasta transistorista on alkanut vuotaa läpi sähkömääriä, jotka vaikuttavat piirin virrankulutukseen. Tästä syystä CMOS-kalvorakenteisiin on lisätty eristekalvoja, kuten high-k-eriste. Virrankulutuksen pienentämiseksi 2000-luvun vaihteessa tehty johdinmateriaalin vaihtaminen alumiinista kupariin johti siihen, että kalvorakenteisiin täytyi lisätä titaaninitridi-pohjaisia barrier-kalvoja diffuusion estämiseksi, koska kupari diffundoituu helposti kalvojen läpi ja tuhoaa puolijohteen.

CMOS-tekniikkaan perustuen on kehitetty myös valoherkkä kenno l. kuvakenno, jota käytetään joissakin digitaalikameroissa, eli CMOS-kenno.

Käytössä on ollut myös HMOS-tekniikkaa (engl. high density, short channel MOS).

1. ↑ ^{a b c} 1963: Complementary MOS Circuit Configuration is Invented computerhistory.org. Viitattu 23.10.2021. (englanniksi)
2. ↑ Low stand-by power complementary field effect circuitry Google. Viitattu 5.10.2017.
3. ↑ Integrated Circuits Semiconductor History Museum of Japan. Viitattu 5.10.2017.
4. ↑ ^{a b} http://www.shmj.or.jp/english/pdf/ic/exhibi727E.pdf