സി.എം.ഓ.എസ്. (കമ്പ്യൂട്ടർ ഹാർഡ് വെയർ)

കോംപ്ലിമെൻററി മെറ്റൽ-ഓക്സൈഡ്-സെമികണ്ടക്ടർ എന്നതിൻറെ ചുരുക്ക രൂപമാണ് സി.എം.ഒ.എസ്(CMOS) ഇൻറഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു സാങ്കേതിക വിദ്യയാണിത്. മൈക്രോ പ്രൊസസ്സറുകളിലും, മൈക്രോ കൺട്രോളറുകളിലും, സ്റ്റാറ്റിക് റാമിലും, ഡിജിറ്റൽ ലോജിക് സർക്യൂട്ടുകളിലും സി.എം.ഒ.സ് സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇമേജ് സെൻസറുകൾ (CMOS സെൻസർ), ഡാറ്റ കൺവെർട്ടർ, അനേകം ആശയവിനിമയങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന ഇൻറഗ്രേറ്റഡ് ട്രാൻസിവേഴ്റുകൾ തുടങ്ങിയ നിരവധി അനലോഗ് സർക്യൂട്ടുകൾക്കായി സി.എം.ഒ.എസ് സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നു. 1963 ൽ ഫെയർചൈൽഡ് സെമികണ്ടക്ടറുമായി ചേർന്ന് ഫ്രാങ്ക് വാൻലാസ് സി.എം.ഒ.എസ് (US പേറ്റൻറ് 3,356,858) പേറ്റൻറ് നേടി.

CMOS inverter (NOT logic gate)

സി.എം.ഒ.എസ് ചിലപ്പോൾ പരിപൂരക-സമമിതി മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ്-അർദ്ധചാലകം (അല്ലെങ്കിൽ COS-MOS) എന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്നു. "പരിപൂരക-സമിതി" എന്ന പദം, സിഎംഒഎസ് ഉപയോഗിക്കുന്ന സാധാരണ രൂപകല്പനകൾ, യുക്തിസഹജ പ്രവർത്തനങ്ങൾക്കായി പി-ടൈപ്പ്, എൻ-ടൈപ്പ് മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ് അർദ്ധചാലകം ഫീൽഡ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ (എം.ഒ.എസ്.എഫ്.ഇ) എന്നിവയുടെ പരിപൂരക‌വും സമമിതവുമായ ജോഡികളാണെന്ന വസ്തുതയെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

ഉയർന്ന ശബ്ദ പ്രതിരോധശേഷിയും താഴ്ന്ന സ്റ്റാറ്റിക് ഊർജ്ജ ഉപഭോഗവുമാണ് സി.എം.ഒ.എസ് ഉപകരണങ്ങളുടെ രണ്ട് സുപ്രധാന സവിശേഷതകൾ. ഒരു ജോഡി ട്രാൻസിസ്റ്റർ എപ്പോഴും ഓഫ് ആയതിനാൽ, ഓൺ, ഓഫ് അവസ്ഥകൾക്കിടയിൽ ക്ഷണനേരംകൊണ്ട് കാര്യക്ഷമമായ ഊർജ്ജം ആകർഷിക്കുന്നു. ട്രാൻസിസ്റ്റർ-ട്രാൻസിസ്റ്റർ ലോജിക് (ടിടിഎൽ) അല്ലെങ്കിൽ എൻ-ടൈപ്പ് മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ് സെമികണ്ടക്ടർ ലോജിക്കിൻറെ (എൻഎംഒഎസ്) ലോജിക്, അവസ്ഥ മാറാതെ വരുമ്പോൾപ്പോലും സാധാരണ നിലയിലുള്ള ചിലത് നിലനിൽക്കുന്നു. ഒരു ചിപ്പിൽ ലോജിക്കൽ ഫംഗ്ഷനുകളുടെ ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയും സി.എം.ഒ.എസ് അനുവദിക്കുന്നു.

"മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ്-അർദ്ധചാലകം" എന്നത് ചില ഫീൽഡ്-ഇഫക്ട് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ ഭൗതിക ഘടനയെ കുറിച്ചുള്ള ഒരു പരാമർശമാണ്. ഒരു ഓഡിയോ ഇൻസൈക്റ്റർക്ക് മുകളിൽ ഒരു ലോഹ ഗേറ്റ് ഇലക്ട്രോഡ് ഉണ്ട്, ഇത് ഒരു അർദ്ധചാലകത്തിൻറെ മുകൾഭാഗത്താണ്. നേരത്തെ അലൂമിനിയം ഉപയോഗിച്ചിരുന്നെങ്കിലും ഇപ്പോൾ ഉപയോഗിക്കുന്ന വസ്തു പോളിസിലിക്കൺ ആണ്. സി.എം.ഒ.എസ് പ്രക്രിയയിൽ, മറ്റ് ലോഹ ഗേറ്റുകളിൽ ഹൈ-കെ ഡൈഇലക്ട്രിക്കൽ വസ്തുക്കളുടെ അവിർഭാവത്തോട്കൂടി, ഐ.ബി.എം., ഇൻറൽ എന്നീ കമ്പനികൾ 45 നാനോമീറ്റർ നോഡിനും അതിനു മുകളിലും ആണെന്ന് പ്രഖ്യാപിച്ചു.

സാങ്കേതിക വിശദാംശങ്ങൾ

"സി.എം.ഒ.എസ്" ഒരു പ്രത്യേക ഡിസൈൻ ഡിജിറ്റൽ സർക്യൂട്ടറി രൂപവും ഇൻറഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളിൽ (ചിപ്പുകളിൽ) ഈ സംവിധാനം നടപ്പിലാക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന പ്രക്രിയകളുടെ കൂട്ടത്തെയും സൂചിപ്പിക്കുന്നു. പ്രതിരോധാത്മക ലോജിക്കൽ കൂട്ടങ്ങളെക്കാൾ ഉപരി ചെറുശക്തിയെ തുരത്താൻ സി.എം.ഒ.എസ് സർക്യൂട്ടറി ശ്രമിക്കുന്നു. ഈ നേട്ടം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും കൂടുതൽ വളർച്ച പ്രാപിക്കുകയും ചെയ്തതിനാൽ, സി.എം.ഒ.എസ്. പ്രക്രിയകളും വേരിയൻറുകളും ആധിപത്യത്തിലായിട്ടുണ്ട്, ആയതിനാൽ ആധുനിക ഇൻറഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് നിർമ്മാണത്തിൻറെ ഭൂരിപക്ഷം സി.എം.ഒ.എസ് പ്രക്രിയകൾ ആണ്. 2010 ലെ കണക്കനുസരിച്ച് ഓരോ വർഷവും മികച്ച പ്രകടനം നടത്തുന്ന സി.പി.യുകളാണ് സി.എം.ഒ.എസ്. 1976 മുതൽ ഓരോ വർഷവും സി.എം.ഒ.എസ് സ്റ്റാറ്റിക് ലോജിക് ആയിരുന്നു. ലോജിക്കൽ ഗേറ്റുകളും മറ്റ് ഡിജിറ്റൽ സർക്യൂട്ടുകളും നടപ്പാക്കുന്നതിന് പി-ടൈപ്പ്, എൻ-ടൈപ്പ് മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ് സെമിക്കണ്ടക്റ്റർ ഫീൽഡ്-ഇഫക്ട് ട്രാൻസിസ്റ്റർ (MOSFET) എന്നിവയാണ് സി.എം.ഒ.എസ്. സർക്യൂട്ടുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നത്.

വാക്കുകളെ വിപരീതക്രമത്തിൽ വിന്യസിക്കൽ (Inversion)

എല്ലാ പി-ടൈപ്പ് മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ്-അർദ്ധചാലകവും (PMOS) ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് വോൾട്ടേജ് സ്രോതസ്സിൽ നിന്നോ അല്ലെങ്കിൽ മറ്റൊരു പി.എം.ഒ.എസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററിൽ നിന്നോ ഒരു ഇൻപുട്ട് ഉണ്ടാകണം എന്നതാണ് ഇത്തരത്തിലുള്ള സി.എം.ഒ.എസ് സർക്യൂട്ടുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നത്. അതുപോലെ, എല്ലാ എൻ.എം.ഒ.എസ് (NMOS) ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും നിലത്തു നിന്നോ മറ്റൊരു എൻ.എം.ഒ.എസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററിൽ നിന്നോ ഒരു ഇൻപുട്ട് ഉണ്ടായിരിക്കണം. ഒരു പിഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററിൻറെ ഘടന അതിൻറെ ഉറവിടവും തകരാറുകളും തമ്മിൽ കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധം ഉണ്ടാക്കുന്നു. കുറഞ്ഞ ഗേറ്റ് വോൾട്ടേജ് പ്രയോഗിക്കുകയും ഉയർന്ന ഗേറ്റ് വോൾട്ടേജ് പ്രയോഗിക്കുമ്പോൾ ഉയർന്ന പ്രതിരോധം ഉണ്ടാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. മറുവശത്ത്, ഒരു എൻ.എം.ഒ.എസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററിൻറെ ഘടന ഉറവിടം, ചോർച്ച എന്നിവയ്ക്കിടയിൽ ഉയർന്ന ഗേറ്റ് വോൾട്ടേജ് പ്രയോഗിക്കുകയും ഉയർന്ന ഗേറ്റ് വോൾട്ടേജ് ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധം സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഓരോ എൻ-എം.ഓ.എസ്.എഫ്.ഇ.റ്റി(nMOSFET)യും പി-എം.ഓ.എസ്. എഫ്.ഇ.റ്റി (pMOSFET) എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച്, സി.എം.ഓ.എസ് വൈദ്യുത ഉപയോഗം കുറയ്ക്കുന്നു. ഗേറ്റുകളിൽ ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് പ്രവർത്തിപ്പിക്കുന്നത് എൻ-എം.ഓ.എസ്.എഫ്.ഇ.റ്റി നടത്താനും പി-എം.ഓ.എസ്. എഫ്.ഇ.റ്റി നടത്താതിരിക്കാനും ഇടയാക്കില്ല, കൂടാതെ വാതിലുകളിൽ കുറഞ്ഞ റിവേഴ്സ് വോൾട്ടേജും ഉണ്ടാക്കുന്നു. ഈ സംവിധാനം വൈദ്യുതി ഉപഭോഗം, ചൂട് എന്നിവയെ വളരെ കുറയ്ക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, സ്വിച്ച് ചെയ്യുന്ന സമയത്ത്, മോട്ടോർ വോൾട്ടേജ് ഒരു അവസ്ഥയിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് പോകുമ്പോൾ, രണ്ട് എം.ഓ.എസ്.ഇ.റ്റി(MOSFET)-കളും ചുരുക്കമായിരിക്കും. ഇത് വൈദ്യുതി ഉപഭോഗത്തിൽ ഒരു ചെറിയ വർധന വരുത്തുകയും ഉയർന്ന ആവൃത്തിയിൽ ഗുരുതരമായ പ്രശ്നമാകുകയും ചെയ്യുന്നു. വലത് ഭാഗത്ത് ചിത്രം ഒരു പിഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്റർ (ഡയഗ്രം മുകളിൽ), ഒരു എൻഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്റർ (ഡയഗ്രം താഴെ) എന്നിവയുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുമ്പോൾ എന്ത് സംഭവിക്കുന്നു എന്നത് കാണിക്കുന്നു.

Static CMOS inverter

വലത് ഭാഗത്ത് ചിത്രം ഒരു പി.എം.ഒ.എസ് ട്രാൻസിസ്റ്റർ (ഡയഗ്രം മുകളിൽ), ഒരു എൻ.എം.ഒ.എസ് ട്രാൻസിസ്റ്റർ (ഡയഗ്രം താഴെ) എന്നിവയുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുമ്പോൾ എന്ത് സംഭവിക്കുന്നു എന്നത് കാണിക്കുന്നു. ഇൻപുട്ട് എയുടെ വോൾട്ടേജ് കുറവാണെങ്കിൽ, എൻഎംഒഎസ്(NMOS) ട്രാൻസിസ്റ്റർ ചാനൽ വളരെ ഉയർന്ന പ്രതിരോധസ്ഥാനത്താണ്. ഇത് ക്യൂവി(Q)ൽ നിന്ന് താഴേക്ക് പോകാൻ കഴിയുന്ന നിലവിലെ പരിധി പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു. പിഎംഒഎസ്(PMOS) ട്രാൻസിസ്റ്ററുടെ ചാനൽ കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധ നിലയിലാണെങ്കിലും വിതരണത്തിൽ നിന്നും ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന് കൂടുതൽ ഊർജ്ജം പ്രവഹിക്കുന്നു. വിതരണ വോൾട്ടേജും Q ഉം തമ്മിലുള്ള പ്രതിരോധം വളരെ കുറവായതിനാൽ, Q ൽ വരച്ച വിതരണ വോൾട്ടേജും Q ഉം തമ്മിലുള്ള വോൾട്ടേജ് ഡ്രോപ്പ് ചെറുതാണ്.

ചുരുക്കത്തിൽ, പിഎംഒഎസ്, എൻഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ ഉൽപാദനങ്ങൾ ഇൻപുട്ടിനു കുറവു വരുത്തുമ്പോൾ ഇവ നിറവേറ്റുന്നു ഔട്ട്പുട്ട് ഉയർന്നതാണ്, ഇൻപുട്ട് ഉയർന്നപ്പോൾ, ഔട്ട്പുട്ട് കുറവാണ്. ഇൻപുട്ട്, ഔട്ട്പുട്ടുകളുടെ ഈ പെരുമാറ്റം കാരണം സിഎംഒഎസ്(CMOS) സർക്യൂട്ട് ഔട്ട്പുട്ട് ഇൻപുട്ടിൻറെ വിപരീതമാണ്.

സിഎംഒഎസ് ഊർജ്ജ സ്രോതസ്സുകളെ V_DD, V_SS, V_CC, ഗ്രൗണ്ട് (GND) എന്നിവയാണ് നിർമ്മാതാക്കളെ ആശ്രയിക്കുന്നത്. പരമ്പരാഗത എംഒഎസ്(MOS) സർക്യൂട്ടുകളിൽ നിന്ന് V_DD, V_SS തുടങ്ങിയവ വഹിക്കുന്നു. ഇവ വിതരണം ചെയ്യുന്നത് സിഎംഒഎസിന് നേരിട്ട് ബാധകമല്ല, കാരണം ഇവ രണ്ടും സ്രോതസ്സുകൾ നൽകുന്നു. ടി.ടി.എൽ. ലോജിക്കിൽ നിന്ന് V_CC ഗ്രൗണ്ടും വഹിക്കുന്നു. സിഎംഒസിൻറെ 54 സി / 74 സി വരിയുടെ അവതരണത്തോടെ ആ പദനാമം നിലനിർത്തി.

ദ്വന്ദത്വം

സി.എം.ഒ.എസ് സർക്യൂട്ടിൻറെ ഒരു പ്രധാന സവിശേഷത പിഎംഒഎസ് (PMOS)ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും എൻഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും തമ്മിലുള്ള ദ്വിത്വമാണ്. ഉൽപ്പാദനം മുതൽ വൈദ്യുതി സ്രോതസ്സിലോ അല്ലെങ്കിൽ നിലത്തേക്കോ ഒരു പാത എല്ലായ്പ്പോഴും അനുവദിക്കാൻ ഒരു സിഎംഒഎസ്(CMOS)സർക്യൂട്ട് രൂപപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു. ഇത് നടപ്പിലാക്കാൻ, വോൾട്ടേജ് സ്രോതസ്സിലേക്കുള്ള എല്ലാ വഴികളുടെയും സമൂഹത്തിൻറെയും പരിപൂരകം ആയിരിക്കണം. ഒന്ന് മറ്റേതിൻറെയല്ല എന്ന് നിർവ്വചിച്ചുകൊണ്ട് ഇത് എളുപ്പത്തിൽ പൂർത്തിയാക്കാൻ കഴിയും. ഡെ മോർഗൻറെ നിയമം അനുസരിച്ചുള്ള യുക്തിപ്രകാരം, സമാന്തരമായി പിഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ ശ്രേണിയിൽ എൻഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററു കളുമായി യോജിക്കുന്നു, പരമ്പരയിലെ പിഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ സമാന്തരമായി എൻഎംഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് സമാനമാണ്.

ലോജിക്ക്

NAND gate in CMOS logic

അതിസങ്കീർണ്ണമായ ലോജിക്കൽ പ്രവർത്തനങ്ങളിൽ AND ഉം OR പ്രവേശനകവാടങ്ങൾ ഉൾപ്പെടെ ലോജിക്കൽ ഗേറ്റുകൾക്കിടയിലുള്ള പാതകളെ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നു. ശൃംഖലകളിൽ രണ്ടു ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുണ്ടെങ്കിൽ, ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് സപ്ലൈ ലഭിക്കാനുള്ള വോൾട്ടേജിൽ കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധം ഉണ്ടായിരിക്കണം. വലതുവശത്ത് കാണിച്ചിരിക്കുന്നത് സിഎംഒഎസ് ലോജിക്കിലെ എൻഎഎൻഡി (NAND) ഗേറ്റിൻറെ സർക്യൂട്ട് ഡയഗ്രമാണ്. എ, ബി ഇൻപുട്ടുകൾ രണ്ടും ഉയർന്നതാണെങ്കിൽ, എൻഎം ഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ (ഡൈഗ്രത്തിൻറെ താഴെ പകുതിയോളം) നടത്തും, പിഎം ഒഎസ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും (മുകളിൽ പകുതിയോളം) നടക്കില്ല, ഔട്ട്പുട്ടും V_ss ഉം തമ്മിലുള്ള ഒരു സംക്രമണ പാത സ്ഥാപിക്കുകയും (ഗ്രൗണ്ട്), ഔട്ട്പുട്ട് കുറഞ്ഞ് വരികയും ചെയ്യുന്നു.