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CMOS

Complementary metal-oxide-semiconductor (engl.; ‚sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter‘), Abk. CMOS, ist eine Bezeichnung für Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal- als auch n-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden.

Unter CMOS-Technik bzw. CMOS-Technologie versteht man

  • sowohl den verwendeten Halbleiterprozess, der zur Realisierung von integrierten digitalen wie analogen Schaltungen verwendet wird,
  • als auch eine Logikfamilie. Die CMOS-Technologie stellt heutzutage die meistgenutzte Logikfamilie dar und wird hauptsächlich für integrierte Schaltkreise (ICs) verwendet.
Inverter in CMOS-Technik

Baustelle

Eigenschaften

Die Verlustleistung im Ruhezustand beträgt üblicherweise ca. 10 nW, die Verlustleistung beim Schalten liegt frequenz- und betriebsspannungsabhängig je nach Bautyp bei Standardbaureihen bei ca. 1 mW/MHz (integrierte Gatter: ca. 10 µW/MHz).

Im Gegensatz zu Logikbausteinen der TTL-Familie, die nur mit 5 V arbeiten, liegt die typische Betriebsspannung zwischen 0,75 und 15 V.

CMOS-Eingänge sind empfindlich gegenüber statischen Aufladungen und Überspannungen, weshalb vor CMOS-Eingänge, wenn technisch möglich, ein- oder zweistufige Schutzschaltungen, gesetzt werden. Zum Beispiel Dioden gegen die beiden Betriebsspannungen oder spezielle Schutzschaltungen wie GgNMOS vorgesehen werden. Weiterhin besteht bei CMOS-Schaltungen und bei Überspannungen an den Eingängen das Problem des sogenannten „Latch-Ups“.

Spezielle Arten

HC/HCT-CMOS

Unter HC-CMOS-Technik (H steht für High Speed) versteht man die Weiterentwicklung der CMOS-4000-Logikfamilie, um die Geschwindigkeit der LS-TTL-Familie zu erreichen. HC-Eingänge sind allerdings nicht kompatibel zu TTL-Ausgangspegeln. Daher wurde die HCT-CMOS-Technik entwickelt, bei der die CMOS-Transistorstruktur an die Ausgangsspannungspegel der TTL-Familie bei voller Pin-Kompatibilität zu diesen angepasst wurde. Ein Austausch von TTL-Schaltkreisen mit HCT-CMOS-Schaltkreisen ist somit möglich.

BiCMOS

Unter der BiCMOS-Technik versteht man eine Schaltungstechnik, bei der Feldeffekttransistoren mit Bipolartransistoren kombiniert werden. Dabei werden sowohl der Eingang als auch die logische Verknüpfung in CMOS-Technik realisiert – mit den entsprechenden Vorteilen. Für die Ausgangsstufe werden aber Bipolartransistoren eingesetzt. Dies bringt eine hohe Stromtreiberfähigkeit mit sich und eine geringe Abhängigkeit von der kapazitiven Last. Dafür werden in Logikschaltkreisen üblicherweise zwei weitere Transistoren und zwei Widerstände in der Schaltung benötigt. Das Eingangsverhalten entspricht einem CMOS-Schaltkreis, das Ausgabeverhalten einem TTL-Schaltkreis.

Mit BiCMOS gelingt es weiterhin, Logikschaltungen mit leistungselektronischen Schaltungsteilen auf einem Chip zu vereinen. Beispiele sind Schaltregler, die direkt an der gleichgerichteten Netzspannung betrieben werden können.

Anwendungsgebiete

Die CMOS-Technik eignet sich durch ihren geringen Leistungsbedarf besonders für die Herstellung von integrierten Schaltungen. Diese finden Verwendung in allen Bereichen der Elektronik, zum Beispiel Digitaluhren oder in der Kfz-Elektronik. Außerdem werden mit ihr Speicherelemente, Mikroprozessoren und Sensoren (zum Beispiel Fotodetektoren in Form von CMOS-Sensoren für die Digitalfotografie oder Spektroskopie) gefertigt.

Auch bei analogen Anwendungen wird die CMOS-Technik eingesetzt. So sind CMOS-Operationsverstärker erhältlich, die sich durch einen extrem hohen Eingangswiderstand und geringe Versorgungsspannung auszeichnen.


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Zuletzt geändert: 2018/09/01 15:23

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