Tecnología CMOS

El semiconductor complementario de óxido metálico o complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de forma tal que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas, colocado en la placa base.

En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican usan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales de consumo considerablemente bajo.

Drenador (D) conectada a tierra (Vss), con valor 0; el valor 0 no se propaga al surtidor (S) y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pMOS, por el contrario, está en estado de conducción y es el que propaga valor 1 (Vdd) a la salida.

Otra característica importante de los circuitos CMOS es que son “regenerativos”: una señal degradada que acometa una puerta lógica CMOS se verá restaurada a su valor lógico inicial 0 o 1, siempre que aún esté dentro de los márgenes de ruido que el circuito pueda tolerar.^[1]​

La tecnología CMOS fue desarrollada por Wanlass y Sah,^[2]​ de Fairchild Semiconductor, a principios de los años 1960. Sin embargo, su introducción comercial se debe a RCA, con su famosa familia lógica CD4000.

Posteriormente, la introducción de un búfer y mejoras en el proceso de oxidación local condujeron a la introducción de la serie 4000B, de gran éxito debido a su bajo consumo (prácticamente cero, en condiciones estáticas) y gran margen de alimentación (de 3 a 18 V).

RCA también fabricó LSI en esta tecnología, como su familia COSMAC de amplia aceptación en determinados sectores, a pesar de ser un producto caro, debido a la mayor dificultad de fabricación frente a dispositivos NMOS.

Pero su talón de Aquiles consistía en su reducida velocidad. Cuando se aumenta la frecuencia de reloj, su consumo sube proporcionalmente, haciéndose mayor que el de otras tecnologías. Esto se debe a dos factores:

El otro factor negativo era la complejidad que conlleva el fabricar los dos tipos de transistores, que obliga a utilizar un mayor número de máscaras.

Por estos motivos, a comienzos de los 80, algunos autores pronosticaban el final de la tecnología CMOS, que sería sustituida por la novedosa I²L, entonces prometedora.

Esta fue la situación durante una década, para, en los ochenta, cambia el escenario rápidamente:

En este momento empezó un eclosión de memorias CMOS, pitos de 256x4 bits de la 5101 a 2kx8 de la 6116 y 8Kx8 en la 6264, superando, tanto en capacidad como consumo reducido y velocidad a sus contrapartidas NMOS. También los microprocesadores, NMOS hasta la fecha, comenzaron a aparecer en versiones CMOS (80C85, 80C88, 65C02, etc.).

Y aparecieron nuevas familias lógicas, HC y HCT en competencia directa con la TTL-LS, dominadora del sector digital hasta el momento.

Para entender la velocidad de estos nuevos CMOS, hay que considerar la arquitectura de los circuitos NMOS:

La tecnología CMOS mejora estos dos factores:

Por último, se suelen emplear transistores pequeños, poniendo una celda mayor para la interfaz con las patillas, ya que las necesidades de corriente son mucho mayores en las líneas de salida del chip.

La disminución del tamaño de los transistores y otras mejoras condujo a nuevas familias CMOS: AC, ACT, ACQ, etc.

Los transistores MOS también se emplean en circuitos analógicos, debido a dos características importantes, a saber.

La puerta de un transistor MOS viene a ser un pequeño condensador, por lo que no existe corriente de polarización. Un transistor, para que pueda funcionar, necesita tensión de polarización.

Un MOS saturado se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la superficie del transistor. Es decir, que si se le piden corrientes reducidas, la caída de tensión en el transistor llega a ser muy reducida.

Estas características posibilitan la fabricación de amplificadores operacionales "Rail-to-Rail", en los que el margen de la tensión de salida abarca desde la alimentación negativa a la positiva. También es útil en el diseño de reguladores de tensión lineales y fuentes conmutadas.

Se emplean circuitos mixtos bipolar y CMOS tanto en circuitos analógicos como digitales, en un intento de aprovechar lo mejor de ambas tecnologías. En el ámbito analógico destaca la tecnología BiCMOS, que permite mantener la velocidad y precisión de los circuitos bipolares, pero con la alta impedancia de entrada y márgenes de tensión CMOS. En cuanto a las familias digitales, la idea es cortar las líneas de corriente entre alimentación y masa de un circuito bipolar, colocando transistores MOS. Esto debido a que un transistor bipolar se controla por corriente, mientras que uno MOS, por tensión.

La relevancia de estos inconvenientes es muy baja en el diseño microelectrónico actual.

La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales:

Algunos de los inconvenientes son los siguientes:

Hay tres problemas principales relacionados con la tecnología CMOS, aunque no son exclusivos de ella.

Históricamente, este problema se ha resuelto mediante protecciones en las entradas del circuito. Pueden ser diodos en inversa conectados a masa y a la alimentación, que, además de proteger el dispositivo, reducen los transitorios o zener conectados a masa. Este último método permite quitar la alimentación de un solo dispositivo.

Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura cmos que se dispara cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad cuando existen transitorios por usar líneas largas mal adaptadas, excesiva impedancia en la alimentación o alimentación mal desacoplada. El Latch-Up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación, de modo que, si no se ha previsto, acarrea la destrucción del dispositivo. Las últimas tecnologías se anuncian como inmunes al latch-up.

El comportamiento de la estructura MOS es sumamente sensible a la existencia de cargas atrapadas en el óxido. Una partícula alfa o beta que atraviese un chip CMOS puede dejar cargas a su paso, cambiando la tensión umbral de los transistores y deteriorando o inutilizando el dispositivo. Por ello existen circuitos "endurecidos" (Hardened), fabricados habitualmente en silicio sobre aislante (SOI).

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