SEJARAH DAN PERKEMBANGAN CMOS (Complementary Metal - Oxide - Semiconductor)
CMOS
(Complementary Metal - Oxide - Semiconductor)
Complementarymetal–oxide–semiconductor
(CMOS) atau
semikonduktor–oksida–logam komplementer, adalah sebuah jenis utama dari
rangkaian terintegrasi. Teknologi CMOS digunakan di mikroprosesor, pengontrol
mikro, RAM statis, dan sirkuit logika digital lainnya. Teknologi CMOS juga
digunakan dalam banyak sirkuit analog, seperti sensor gambar, pengubah data,
dan trimancar terintegrasi untuk berbagai jenis komunikasi. Frank Wanlass
berhasil mematenkan CMOS pada tahun 1967 (US Patent 3,356,858).
CMOS juga sering
disebut complementary-symmetry metal–oxide–semiconductor or COSMOS
(semikonduktor–logam–oksida komplementer-simetris). Kata komplementer-simetris
merujuk pada kenyataan bahwa biasanya desain digital berbasis CMOS menggunakan
pasangan komplementer dan simetris dari MOSFET semikonduktor tipe-p dan
semikonduktor tipe-n untuk fungsi logika.
Dua karakter penting
dari CMOS adalah kekebalan desahnya yang tinggi dan penggunaan daya statis yang
rendah. Daya hanya diambil saat transistor dalam CMOS berpindah di antara
kondisi hidup dan mati. Akibatnya, peranti CMOS tidak menimbulkan bahang
sebanyak sirkuit logika lainnya, seperti logika transistor-transistor (TTL)
atau logika NMOS, yang hanya menggunakan peranti tipe-n tanpa tipe-p. CMOS juga
memungkinkan chip logika dengan kepadatan tinggi dibuat.
Kalimat
"metal–oxide–semiconductor" atau semikonduktor–logam–oksida adalah
sebuah sebutan pada struktur fisik beberapa transistor efek medan, memiliki
gerbang elektrode logam yang terletak di atas isolator oksida logam, yang juga
berada di atas bahan semikonduktor. Aluminium digunakan pertama kali, tetapi
sekarang digunakan bahan polisilikon. Gerbang logam lain dibuat seiring
kedatangan material dielektrik permitivitas tinggi di dalam proses pembuatan
CMOS, seperti yang diumumkan oleh IBM dan Intel untuk node 45 nanometer dan
lebih kecil.
Detail Teknis
"CMOS"
merujuk pada desain sirkuit digital tertentu, dan proses-proses yang digunakan
untuk mengimplementasikan sirkuit tersebut dalam rangkaian terintegrasi.
Sirkuit CMOS memboroskan lebih sedikit daya saat statis, dan memungkinkan
penempatan sirkuit yang lebih padat daripada teknologi lain yang mempunyai
fungsi sama. Saat keuntungan ini menjadi lebih diinginkan, proses CMOS dan
variannya mendominasi sirkuit digital terintegrasi modern.
Sirkuit CMOS
menggunakan kombinasi MOSFET tipe-n dan tipe-p untuk mengkonstruksi gerbang
logika dan sirkuit digital yang ditemui di komputer, peralatan komunikasi, dan
peralatan pemroses sinyal. Walaupun logika CMOS dapat dibangun dari komponen
terpisah (seperti pada proyek pemula), biasanya produk CMOS adalah rangkaian
terintegrasi yang terdiri dari jutaan transistor pada sepotong silikon seluas
antara 0,1 hingga 4 sentimeter persegi. Peranti tersebut biasanya disebut dengan
chip, sedangkan untuk perindustrian juga disebut dengan die (tunggal) atau dice
(jamak).
Komposisi
Prinsip utama dibalik
litar CMOS yang menjadikannya dapat digunakan untuk gerbang logik adalah
penggunaan MOSFET type-p dan type-n untuk membuat jalan menuju keluaran dari
sumber tegangan atau dibumikan. Ketika jalan menuju keluaran dibuat dari sumber
tegangan, litar ini disebut pull-up. Di lain pihak, litar dinyatakan pull-down
jika jalan menuju keluaran dibuat dari bumi.
Pembalikan
litar CMOS didesain
sedemikian rupa sehingga semua transistor PMOS harus mempunyai masukan dari
sumber tegangan ataupun dari transistor PMOS lainnya. Sama dengan hal itu,
semua transistor NMOS harus mempunyai masukan dari ground atau transistor NMOS
lainnya. Komposisi dari transistor PMOS menimbulkan resistansi rendah ketika
tegangan rendah dikenakan padanya, dan resistansi tinggi ketika tegangan tinggi
dikenakan padanya. Di lain pihak, komposisi dari transistor NMOS mengakibatkan
resistansi tinggi ketika tegangan rendah dikenakan padanya, dan resistansi
rendah ketika tegangan tinggi dikenakan padanya.
 |
| Pembalik CMOS Statis |
Gambar di kiri
menunjukkan apa yang terjadi jika sebuah masukkan disambungkan ke transistor
PMOS dan transistor NMOS. Ketika tegangan masukan A rendah, transistor NMOS
mempunyai resistansi tinggi sehingga mencegah tegangan untuk bocor ke ground,
sedangkan transistor PMOS mempunyai resistansi rendah sehingga memungkinkan
sumber tegangan untuk memindahkan tegangan menuju ke keluaran melalui
transistor PMOS. Keluaran seharusnya menunjukkan tegangan tinggi (logika 1).
Di lain pihak, ketika
tegangan di masukan A tinggi, transistor PMOS akan memiliki resistansi tinggi
sehingga menghalangi sumber tegangan dari keluaran, sedangkan transistor NMOS
mempunyai resistansi rendah yang memungkinkan keluaran untuk membuang ke
ground. Ini akan menyebabkan keluaran menunjukkan tegangan rendah (logika 0).
Singkatnya, keluaran transistor PMOS dan NMOS selalu komplementer. Karenanya,
keluaran sirkuit CMOS pada dasarnya adalah pembalikan dari masukan.
Kejodohan
Karakteristik penting
dari sirkuit CMOS adalah kejodohan antara transistor PMOS dan transistor NMOS.
Sebuah sirkuit CMOS didesain sehingga selalu ada jalur dari keluaran ke salah
satu sumber tegangan atau ground. Untuk menyelesaikannya, kombinasi dari semua
jalur ke sumber tegangan hapus merupakan komplemen dari jalur ke ground. Ini
dapat diselesaikan dengan mudah dengan menentukan salah satu adalah NOT
lainnya. Logika bekerja berdasarkan hukum De Morgan sehingga transistor PMOS
paralel ekivalen dengan transistor NMOS seri, sedangkan transistor PMOS seri
ekivalen dengan transistor NMOS paralel.
Logika
 |
| Gerbang pada Logika CMOS |
Diperlihatkan di
kanan adalah diagram sirkuit dari gerbang NAND di logika CMOS. Jika semua
masukan A dan B tinggi, dan semua transistor NMOS (separuh bawah) akan
menghantar, dan transistor PMOS (separuh atas) tidak menghantar, dan sebuah
jalur akan terbentuk antara keluaran dan Vss (ground), membuat keluaran rendah.
Jika salah satu masukan A atau B rendah, salah satu transistor NMOS tidak akan
menghantar, sedangkan salah satu transistor NMOS akan menghantar, dan jalur akan
terbentuk antara keluaran dan Vdd (sumber tegangan), membuat keluaran tinggi.
Sebuah keunggulan
logika CMOS daripada logika NMOS adalah semua pensakelaran antara rendah-tinggi
dan tinggi-rendah adalah cepat karena transistor pull-up memiliki resistansi
rendah saat dihidupkan, tidak seperti resistor beban di logika NMOS. Untuk
tambahan, sinyal keluaran mengayun penuh di antara catu positif dan negatif.
Sinyal yang kuat dan simetris ini membuat CMOS lebih kebal terhadap desah.
Perhitungan
kekomplekan
Untuk desain sel
standar digital, atau langsung saja utuk CMOS, sebuah ukuran yang umum untuk
menentukan kekomplekan suatu desain logika adalah gerbang ekivalen (GE).
Daya : Pensakelaran
dan bocoran
Logika CMOS
memboroskan lebih sedikit daya dibandingkan dengan logika NMOS karena CMOS
hanya memboroskan daya hanya saat pensakelaran ("daya dinamis"). Pada
proses 90 nanometer modern, pensakelaran keluaran memerlukan waktu 120
pikosekon, dan berulang setiap sepuluh nanosekon. Logika NMOS memboroskan daya
ketika keluaran rendah ("daya statis"), karena terdapat jalur dari
Vdd ke Vss melalui resistor beban dan jaringan tipe-n.
Sirkuit CMOS
memboroskan daya dengan mengisi kapasitas liar ketika pensakelaran. Muatan yang
bergerak adalah perkalian antara kapasitas liar dengan perubahan tegangan.
Kalikan dengan frekuensi pensakelaran untuk mendapatkan arus borosan, dan
kalikan dengan tegangan lagi untuk mendapatkan borosan daya karakteristik
peranti CMOS {\displaystyle P=CV^{2}f}.
Sebuah borosan daya
yang lain ditemukan pada 1990-an saat kabel pada chip menjadi lebih panjang dan
lebih tipis. Gerbang CMOS pada ujung kabel tersebut menerima transisi masukan
yang lambat. Ditengah-tengah transisi masukan, semua transistor baik NMOS
ataupun PMOS untuk sementara hidup bersamaan, dan arus mengalir langsung dari
Vdd ke Vss. Daya yang digunakan disebut daya "linggis". Desain yang
hati-hati dimana menghindari kawat penggerak yang terlalu panjang mengurangi
borosan ini, dan sekarang daya linggis selalu lebih rendah daripada daya
pensakelaran.
Baik transistor NMOS
ataupun PMOS memiliki gerbang–sumber tegangan tahan. Desain CMOS yang
beroperasi pada tegangan catu yang jauh lebih tinggi dari tegangan tahan (Vdd
lebih dari 5 V, dan Vth untuk transistor NMOS dan PMOS adalah 700 mV).
Untuk mempercepat
desain, produsen beralih ke bahan gerbang yang memiliki tegangan tahan yang
lebih rendah. Sebuah transistor NMOS modern dengan Vth of 200 mV memiliki
kebocoran arus pratahan yang signifikan. Desain yang berusaha mengoptimalkan
proses pembuatan untuk borosan daya minimum selama operasi telah menekan Vth
sehingga bocoran arus kira-kira sama dengan daya pensakelaran. Sebagai
akibatnya, peranti tersebut memboroskan daya walaupun tidak terjadi
pensakelaran. Pengurangan bocoran daya menggunakan bahan baru dan desain sistem
sangat dibutuhkan untuk menjaga eksistensi CMOS. Pabrikan memandang pengenalan
dielektrik permitivitas tinggi untuk mengatasi bocoran arus pada gerbang dengan
mengganti silikon dioksida dengan bahan yang mempunyai permitivitas lebih
tinggi.
CMOS Analog
Disamping penggunaan
digital, teknologi CMOS juga digunakan untuk penggunaan analog. Sebagai contoh
adalah IC op-amp CMOS. Teknologi CMOS juga sering digunakan untuk penggunaan
frekuensi radio. Sesungguhnya,teknologi CMOS juga digunakan untuk sirkuit
terintegrasi sinyal campuran (analog+digital).
Rentang suhu
Peranti CMOS konvensional bekerja antara suhu -55 °C hingga +125 °C. Ada juga kemungkinan CMOS silikon dapat bekerja hingga 40 kelvin.
Komentar
Posting Komentar