CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)
Was ist ein Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS)?
Ein Complementary Metal-Oxide Semiconductor (zu deutsch: komplementärer Metalloxid-Halbleiter) ist die Halbleitertechnologie, die in den meisten der heutigen integrierten Schaltkreise (Integrated Circuits, ICs), auch bekannt als Chips oder Mikrochips, verwendet wird. CMOS-Transistoren basieren auf der MOSFET-Technologie (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). MOSFETs (zu deutsch: Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) dienen als Schalter oder Verstärker, die den Stromfluss zwischen Source- und Drain-Anschluss in Abhängigkeit von der angelegten Spannung steuern.
MOSFETs verwenden Halbleitermaterialien, die unter bestimmten Bedingungen Strom leiten, unter anderen jedoch nicht. Ein Halbleiter liegt von der Leitfähigkeit her irgendwo zwischen einem Leiter und einem Isolator. Er besteht in der Regel aus Silizium und einer Mischung von Verunreinigungen, die zusammen das richtige Gleichgewicht der Leitfähigkeit ergeben. Silizium in seiner reinen Form ist nicht leitfähig.
Das Hinzufügen von Verunreinigungen zu einem Material wie Silizium wird manchmal als Doping bezeichnet. Das Doping von Halbleitern kann in unterschiedlichem Maße eingesetzt werden, um die Leitfähigkeit zu steuern. Aber auch andere Faktoren können die Leitfähigkeit beeinflussen, zum Beispiel die Art der verwendeten Verunreinigungen.
Bei MOSFETs hängen die für das Halbleitermaterial verwendeten Verunreinigungen vom Halbleitertyp ab. MOSFET-Halbleiter fallen in eine von zwei Kategorien: p-Typ oder n-Typ. Bor, Gallium und Indium werden üblicherweise für p-Typ-Halbleiter verwendet. Phosphor, Arsen und Wismut werden in der Regel für n-Typ-Halbleiter verwendet.
Der positiv geladene p-Typ-Halbleiter transportiert Strom in Form von Elektronenmängeln, die Löcher genannt werden. Ein Loch hat eine positive Ladung, die gleich und entgegengesetzt zu einer Elektronenladung ist. Die Elektronen fließen in eine Richtung, die den Löchern entgegengesetzt ist. Der n-Typ-Halbleiter ist negativ geladen. In diesem Fall transportiert der Halbleiter Strom in Form von negativ geladenen Elektronen.
Warum ist CMOS komplementär?
Es gibt zwei Haupttypen von MOSFETs: p-Kanal-MOS (PMOS) und n-Kanal-MOS (NMOS). Sowohl PMOS- als auch NMOS-Transistoren verwenden Halbleiter vom p- und n-Typ. Bei einem PMOS-Transistor verwenden Source und Drain einen Halbleiter vom p-Typ und das Substrat einen Halbleiter vom n-Typ. Ein NMOS-Transistor verfolgt den umgekehrten Ansatz. Source und Drain verwenden einen n-Typ-Halbleiter und das Substrat einen p-Typ-Halbleiter.
Vor der Einführung von CMOS waren PMOS und NMOS in elektronischen Geräten weit verbreitet. NMOS wurde schließlich zum bevorzugten Ansatz für integrierte Schaltkreise, da es schneller und billiger zu produzieren war, obwohl es nicht ohne Einschränkungen war, wie zum Beispiel sein statischer Stromverbrauch.
CMOS adressiert die Probleme von PMOS und NMOS, indem es beide Typen in einem einzigen IC vereinte, der symmetrische (komplementäre) PMOS-NMOS-Paare enthält. Bei gemeinsamer Verwendung der beiden Transistortypen ergibt sich eine größere Flexibilität bei der Schaltungsentwicklung, während gleichzeitig die Komplexität und die Anfälligkeit für elektronisches Rauschen verringert werden.
Ein weiterer Vorteil von komplementären PMOS-NMOS-Paaren ist, dass sie weniger Strom benötigen. Das liegt daran, dass beim Umschalten zwischen Ein- und Aus-Zustand nur kurz Strom fließt. Tatsächlich verbrauchen CMOS-ICs unter statischen Bedingungen fast keinen Strom. Der geringere Stromverbrauch bedeutet auch, dass CMOS-basierte ICs weniger Wärme erzeugen als solche, die nur auf PMOS oder NMOS basieren.
Da der Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung bei der Entwicklung von ICs im Vordergrund stehen, ist die CMOS-Logik heute in Mikroprozessoren, Mikro-Controllern, statischem RAM, Bildsensoren und anderen ICs weit verbreitet. Voraussichtlich wird diese Logik auch weiterhin die Branche dominieren.
