CMOS vs. NMOS: Was ist besser?

Was ist CMOS-Technologie?

CMOS, nämlich komplementäre Metalloxidhalbleiter, verwendet komplementäre und symmetrische Paare von p-Typ- und n-Typ-MOSFETs, um Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) für Logikzwecke herzustellen. Integrierte Schaltkreischips (IC) wie Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Speicherchips (einschließlich CMOS-BIOS) und andere digitale Logikschaltkreise werden mithilfe der CMOS-Technologie hergestellt. Auch die in vielen anderen Kommunikationsformen verwendeten analogen Schaltkreise nutzen die CMOS-Technologie, darunter Bildsensoren (CMOS-Sensoren), Datenkonverter, HF-Schaltkreise (HF-CMOS) und hochintegrierte Transceiver. Klicken Sie zu Ihrer Information auf diesen Blog, um mehr über die CMOS-Technologie zu erfahren: Die CMOS-Technologie verstehen

Abbildung 1 CMOS  

Ist CMOS flüchtig oder nichtflüchtig?

Nichtflüchtiger Speicher wie Flash-Speicher und EEPROM wird häufig mithilfe der CMOS-Technologie hergestellt. Anstelle der Speicherzellen selbst wird CMOS im Zusammenhang mit dem Speicher verwendet, um Schaltkreise zu adressieren und zu steuern. Daher ist CMOS an und für sich weder flüchtig noch nichtflüchtig. Diese Technologie wird bei der Herstellung einer Vielzahl elektronischer Komponenten verwendet, wie beispielsweise Speicher, die sowohl flüchtig als auch nichtflüchtig sind.  

Was ist NMOS-Technologie?

Die NMOS-Technologie (N-Typ Metall-Oxid-Halbleiter) ist eine grundlegende Halbleitertechnologie, die beim Bau integrierter Schaltkreise verwendet wird. Sie wird häufig beim Entwurf digitaler Logikschaltkreise verwendet und hat bei der Entwicklung moderner elektronischer Geräte eine entscheidende Rolle gespielt. Das Herzstück der NMOS-Technologie ist der NMOS-Transistor, ein Anreicherungsmodus-MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Im Gegensatz zu seinem Gegenstück, dem PMOS-Transistor, verwendet der NMOS-Transistor Elektronen als seine Mehrheitsladungsträger, daher die Bezeichnung „N-Typ“. Die Struktur des Transistors besteht aus einem Siliziumsubstrat mit einem Source-Anschluss, einem Drain-Anschluss und einem Gate-Anschluss. Der Betrieb eines NMOS-Transistors beginnt mit dem Anlegen einer Spannung an den Gate-Anschluss. Diese Spannung erzeugt ein elektrisches Feld, das den Elektronenfluss zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen reguliert. Wenn die Gate-Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein leitender Kanal gebildet, der den Stromfluss durch den Transistor ermöglicht. Wenn die Gate-Spannung hingegen unter dem Schwellenwert liegt, bleibt der Kanal nicht leitend und der Transistor verbleibt im ausgeschalteten Zustand. Die NMOS-Technologie wird häufig in digitalen Logikschaltungen verwendet, darunter Mikroprozessoren und Speicherchips. Ihre Popularität rührt von mehreren Vorteilen her, die sie bietet. Erstens weisen NMOS-Transistoren schnelle Schaltgeschwindigkeiten auf, was einen effizienten Betrieb in Hochgeschwindigkeitsanwendungen ermöglicht. Darüber hinaus weisen sie einen relativ geringen Stromverbrauch auf, was sie für verschiedene elektronische Geräte geeignet macht. Darüber hinaus lässt sich die NMOS-Technologie nahtlos in die CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) integrieren, was die Konstruktion komplexer integrierter Schaltkreise ermöglicht.

图2 NMOS  

Unterschied zwischen CMOS und NMOS

Die Hauptunterschiede zwischen CMOS und NMOS bestehen in der Art und Weise der verwendeten Transistoren sowie in ihrer Funktionsweise.  

Merkmal	CMOS	NMOS
Transistortypen	Sowohl NMOS- als auch PMOS-Transistoren	N-Typ (NMOS)-Transistoren
Ladungsträger	Elektronen (NMOS) und Löcher (PMOS)	Elektronen (NMOS)
Stromverbrauch	Geringe statische Leistungsaufnahme	Höhere statische Leistungsaufnahme
Störfestigkeit	Bessere Störfestigkeit und Unterdrückung	Anfälliger gegenüber Rauschstörungen
Geschwindigkeit und Leistung	Schnellere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Verzögerungen	Langsamere Schaltgeschwindigkeiten
Schaltkreiskomplexität	Unterstützt komplexes Schaltungsdesign und -integration	Begrenzte Schaltungskomplexität
Herstellungskompatibilität	Kompatibel mit modernen Halbleiterprozessen	Der ähnliche Herstellungsprozess wie bei CMOS
Spannungspegel	Doppelspannungspegel (hoch und niedrig)	Einzelne Versorgungsspannung
Anforderung an die Gate-Spannung	Symmetrisch (gleiche positive und negativ)	Unipolar (nur positive Spannung)
Spannungsschwankung	Volle Rail-to-Rail-Schwankung	Teilweise Schwankung (begrenzt durch Stromversorgung)
Schwellenspannung	Symmetrisch (positive und negative Schwelle)	Unipolar (positive Schwellenspannung)
Schaltkreisdichte	Geringere Schaltkreisdichte durch Doppeltransistoren	Höhere Schaltkreisdichte im Vergleich
Leistungsverlust	Geringere statische und dynamische Leistungsverlust	Höhere statische und dynamische Leistungsverlust

 

Wie funktioniert CMOS?

Transistoren werden in der CMOS-Technologie eingesetzt, um Speicher- und Logikfunktionen zu implementieren. Komplementäre Paare von p-Typ- und n-Typ-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) bilden diese Transistoren. Da relativ wenig Strom durch diese Transistoren fließt, wenn sie nicht aktiv schalten, ermöglicht ihre komplementäre Natur einen geringen Stromverbrauch. Binäre 1en und 0en werden durch das Vorhandensein oder Fehlen von Spannung in CMOS-Schaltkreisen dargestellt. Es zeigt eine binäre 1 bei Vorhandensein von Spannung und eine binäre 0 bei Fehlen von Spannung an. Dadurch können CMOS-Geräte Daten speichern und logische Prozesse ausführen. Die CMOS-Batterie, eine winzige Batterie auf der Hauptplatine eines Computers, die den CMOS-Speicher mit Strom versorgt, der die BIOS-Einstellungen enthält, wird ebenfalls mithilfe der CMOS-Technologie hergestellt. Dadurch bleiben die Einstellungen auch dann erhalten, wenn der Computer ausgeschaltet wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass niedriger Stromverbrauch und hohe Störfestigkeit zwei der Hauptvorteile der CMOS-Technologie sind, die Logikfunktionen und Speicher mithilfe komplementärer Transistorpaare implementiert.  

Wie funktioniert NMOS?

Der N-Kanal-MOSFET ist das grundlegende Bauelement der NMOS-Technologie. Die Komponenten dieses Transistors sind ein Gate, ein Drain und eine Source. Durch Anlegen einer Spannung an das Gate wird ein elektrisches Feld erzeugt, wodurch Strom zwischen der Source und dem Drain fließen kann. Der Transistor befindet sich im „Aus“-Zustand, wenn die Gate-Spannung niedrig ist, und im „Ein“-Zustand, wenn die Gate-Spannung hoch ist. Diese Transistoren werden in NMOS-Logikschaltungen verwendet, um digitale Logikfunktionen zu implementieren. Das Gate eines NMOS-Transistors empfängt eine Spannung, die einen Stromfluss bewirkt, was eine logische „1“ anzeigt. Der Transistor ist ausgeschaltet, wenn keine Spannung an das Gate angelegt wird, was einer logischen „0“ entspricht. Aufgrund des kontinuierlichen Stromflusses durch die Transistoren, wenn sie sich im „Ein“-Zustand befinden, ist ein Hauptmerkmal der NMOS-Technologie ihr höherer Stromverbrauch im Vergleich zur CMOS-Technologie. Aus diesem Grund hat CMOS NMOS in modernen integrierten Schaltkreisen im Wesentlichen abgelöst, da NMOS weniger stromsparend ist als CMOS. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die NMOS-Technologie digitale Logikoperationen unter Verwendung von N-Kanal-MOSFETs implementiert, wobei binäre 1en und 0en durch das Vorhandensein oder Fehlen von Spannung dargestellt werden. Aufgrund seines höheren Stromverbrauchs hat CMOS jedoch in aktuellen integrierten Schaltkreisen weitgehend den Platz von NMOS eingenommen.  

Warum ist CMOS besser als NMOS?

Obwohl beide Technologien zum Bau integrierter Schaltkreise verwendet werden, war CMOS aufgrund der schlechteren Leistung und Energieeffizienz von NMOS die Technologie der Wahl. Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren oder N-Typ-MOSFETs sind die Transistoren, die in der NMOS-Technologie verwendet werden. Die Mehrzahl der Ladungsträger in diesen Transistoren sind Elektronen. Der Gate-Anschluss eines NMOS-Transistors empfängt eine Spannung, die ein elektrisches Feld erzeugt, das die Bewegung der Elektronen zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen reguliert. Wenn die Gate-Spannung hoch genug ist, bildet sich ein leitender Kanal, der den Stromfluss ermöglicht. Eine niedrige Gate-Spannung hingegen deaktiviert den Transistor, indem sie die Entwicklung des leitenden Kanals blockiert. Im Gegensatz dazu werden NMOS- und PMOS-Transistoren (P-Typ-MOSFET) in der CMOS-Technologie kombiniert. Im Gegensatz zu NMOS-Transistoren verhalten sich PMOS-Transistoren anders, da Löcher als die Mehrzahl der Ladungsträger verwendet werden. Ein Pull-up-Netzwerk aus PMOS-Transistoren und ein Pull-down-Netzwerk aus NMOS-Transistoren bilden den Aufbau einer CMOS-Schaltung. Zusammen führen diese beiden Netzwerke die in digitalen Schaltungen erforderlichen logischen Operationen aus. Der geringfügige statische Stromverbrauch von CMOS gegenüber NMOS ist einer seiner Hauptvorteile. Selbst wenn die Schaltung nicht verwendet wird, fließt in NMOS-Schaltungen ein konstanter Strom von der Stromquelle zur Erde. Dies führt zu einer höheren Verlustleistung. Da das PMOS-Netzwerk dagegen sicherstellt, dass der Strom nur kurz bei Schaltvorgängen fließt, verbrauchen CMOS-Schaltungen sehr wenig statische Energie. Diese Funktion macht die CMOS-Technologie extrem energieeffizient, insbesondere im Leerlauf oder im Standby-Modus. Die Störfestigkeit der CMOS-Technologie ist ein weiterer wichtiger Vorteil. Eine einzige Versorgungsspannung macht NMOS-Schaltungen anfälliger für Störgeräusche. Das Rauschen kann zu irreführenden Signalen führen und die Gesamtzuverlässigkeit der Schaltung verringern. Das komplementäre Verhalten der NMOS- und PMOS-Transistoren in der CMOS-Technologie trägt zur Reduzierung von rauschbedingten Problemen bei. Eine stärkere Rauschunterdrückung ist möglich, wenn sowohl eine Hoch- als auch eine Niederspannungsversorgung vorhanden ist. Die Leistung der CMOS-Technologie wird auch in Bezug auf die Geschwindigkeit verbessert. Da Elektronen in NMOS-Schaltungen so häufig als Ladungsträger verwendet werden, haben diese Schaltkreise langsamere Schaltgeschwindigkeiten. Die komplementäre Eigenschaft von CMOS ermöglicht schnelleres Schalten und kürzere Ausbreitungsverzögerungen. Dieser Vorteil ist besonders wichtig für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Mikroprozessoren.  

CMOS-Inverter VS. NMOS-Inverter

Ein Inverter, oft als NOT-Gatter bezeichnet, ist ein Logikgatter, das in der digitalen Logik verwendet wird, um logische Negation zu implementieren. Wenn ein Bit eingegeben wird, gibt es das genau entgegengesetzte Bit aus. Normalerweise werden die Bits als zwei kontrastierende Spannungspegel implementiert.

CMOS-Inverter

Aufbau: Ein CMOS-Inverter besteht aus in Reihe geschalteten NMOS- und PMOS-Transistoren. Der NMOS-Transistor ist zwischen dem Ausgang und der Masse angeschlossen, während der PMOS-Transistor zwischen dem Ausgang und der Stromversorgung (VDD) angeschlossen ist. Funktionsweise: Wenn das Eingangssignal niedrig ist (logisch 0), wird der NMOS-Transistor ausgeschaltet und der PMOS-Transistor eingeschaltet, wodurch der Ausgang mit VDD verbunden wird, was zu einer hohen Ausgangsspannung (logisch 1) führt. Umgekehrt wird, wenn das Eingangssignal hoch ist (logisch 1), der NMOS-Transistor eingeschaltet und der PMOS-Transistor ausgeschaltet, wodurch der Ausgang mit der Masse verbunden wird, was zu einer niedrigen Ausgangsspannung (logisch 0) führt. Vorteile: CMOS-Inverter bieten einen geringen Stromverbrauch, eine hohe Störfestigkeit und eine geringe statische Verlustleistung. Sie bieten außerdem eine volle Rail-to-Rail-Spannungsschwankung, was eine effiziente Signalübertragung und Kompatibilität mit verschiedenen Logikfamilien ermöglicht. Nachteile: CMOS-Inverter neigen dazu, eine größere Schaltungskomplexität zu haben, da sowohl NMOS- als auch PMOS-Transistoren erforderlich sind. Darüber hinaus können sie im Vergleich zu NMOS-Invertern etwas langsamere Schaltgeschwindigkeiten aufweisen.

Abbildung 3: CMOS VS NMOS-Inverter  

NMOS-Inverter

Aufbau: Ein NMOS-Inverter besteht aus einem einzelnen NMOS-Transistor, der zwischen dem Ausgang und der Masse angeschlossen ist. Funktionsweise: Wenn das Eingangssignal niedrig ist (logisch 0), wird der NMOS-Transistor ausgeschaltet und der Ausgang über einen Pull-up-Widerstand auf VDD hochgezogen, was zu einer hohen Ausgangsspannung (logisch 1) führt. Wenn das Eingangssignal hoch ist (logisch 1), wird der NMOS-Transistor eingeschaltet und stellt einen Pfad zur Masse bereit, was zu einer niedrigen Ausgangsspannung (logisch 0) führt. Vorteile: NMOS-Inverter haben im Vergleich zu CMOS-Invertern eine einfachere Schaltung, was zu einer geringeren Schaltungskomplexität führt. Aufgrund des Fehlens von PMOS-Transistoren können sie auch schnellere Schaltgeschwindigkeiten erreichen. Nachteile: NMOS-Inverter haben aufgrund des konstanten Stromflusses von VDD zur Masse einen höheren Stromverbrauch, selbst wenn die Schaltung im Leerlauf ist. Sie sind außerdem anfälliger für Rauschstörungen und haben eine begrenzte Spannungsschwankung, was die Signalintegrität beeinträchtigen kann. Sehen Sie sich das folgende Video an, um mehr über die Unterschiede zu erfahren: Insgesamt bieten CMOS-Inverter eine bessere Energieeffizienz, Störfestigkeit und Spannungsschwankungen, weshalb sie in modernen digitalen Schaltkreisen häufiger eingesetzt werden. NMOS-Inverter können jedoch einfacher und schneller sein, was in bestimmten Anwendungen von Vorteil sein kann, in denen Stromverbrauch und Störfestigkeit weniger kritisch sind.  

Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass die besonderen Anforderungen der Anwendung bestimmen, ob CMOS oder NMOS besser sind. Aufgrund seines geringen Stromverbrauchs, seiner starken Störfestigkeit, seiner Unterstützung komplizierter Schaltungsdesigns und seiner Kompatibilität mit modernsten Fertigungstechniken wird CMOS im Allgemeinen als die bessere Option angesehen. Es bietet eine ausgewogene Reihe von Vorteilen, die es in modernen digitalen Schaltkreisen beliebt machen. Im Gegensatz dazu ist NMOS potenziell schneller und einfacher und eignet sich daher gut für Spezialanwendungen, bei denen es vor allem auf die Geschwindigkeit ankommt und der Stromverbrauch eine weniger wichtige Rolle spielt. Die Wahl zwischen CMOS und NMOS hängt letztendlich von den besonderen Anforderungen und Kompromissen der jeweiligen Anwendung ab, wobei CMOS aufgrund seiner Energieeffizienz und Anpassungsfähigkeit in den meisten Fällen die bevorzugte Wahl ist.