CMOS( 互补金属氧化物半导体)

CMOS
标签:CMOS互补金属氧化物半导体CMOS传感器
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。

是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

它的特点是低功耗。

简介
CMOS 指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺，它的特点是低功耗。

由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间看，要么PMOS导通，要么NMOS导通，要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。

应用领域
计算机领域
CMOS芯片CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯片。

有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。

CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。

CMOS RAM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。

而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。

BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。

因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。

早期的CMOS是一块单独的芯片MC146818A(DIP封装)，共有64个字节存放系统信息。

386以后的微机一般将MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中(如82C206，P
QFP封装)，586以后主板上更是将CMOS与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做D ALLDA DS1287的芯片中。

随着微机的发展、可设置参数的增多，现在的CMOS RAM 一般都有128字节及至256字节的容量。

为保持兼容性，各BIOS厂商都将自己的BIOS 中关于CMOS RAM的前64字节内容的设置统一与MC146818A的CMOS RAM格式一致，而在扩展出来的部分加入自己的特殊设置，所以不同厂家的BIOS芯片一般不能互换，即使是能互换的，互换后也要对CMOS信息重新设置以确保系统正常运行。

数码相机领域
CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有TTL和CMOS），尤其是片幅规格较大的单反数码相机。

虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数字信号输出。

CCD和CMOS的区别CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

如图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。

由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：
1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

2. 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，
因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

CCD和CMOS
3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。

例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为
4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78 mm的水平。

4. 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。

5. 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。

举例来说，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF 等级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。

综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。

不过，随着CCD与CMOS 传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。

CMOS逻辑电路具有以下优点:
1、允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计
2、逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强
3、静态功耗低
4、隔离栅结构使CMOS器件的输入电阻极大,从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多
发展历史
1963年，仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的Frank Wanlass发明了CM OS电路。

到了1968年，美国无线电公司（RCA）一个由亚伯·梅德温（Albert Medwin）领导[1]的研究团队成功研发出第一个CMOS集成电路（Integrated Circuit）。

早期的C MOS元件虽然功率消耗比常见的晶体管-晶体管逻辑电路（Transistor-to-Transistor Lo gic, TTL）要来得低，但是因为操作速度较慢的缘故，所以大多数应用CMOS的场合都和降低功耗、延长电池使用时间有关，例如电子表。

不过经过长期的研究与改良，今日的CM OS元件无论在使用的面积、操作的速度、耗损的功率，以及制造的成本上都比另外一种主流的半导体制程BJT（Bipolar Junction Transistor，双载子晶体管）要有优势，很多在BJT无法实现或是实作成本太高的设计，利用CMOS皆可顺利的完成。

早期分离式CMOS逻辑元件只有“4000系列”一种（RCA 'COS/MOS'制程），到了后来的“7400系列”时，很多逻辑芯片已经可以利用CMOS、NMOS，甚至是BiCMOS（双载子互补式金氧半）制程实现。

早期的CMOS元件和主要的竞争对手BJT相比，很容易受到静电放电（ElectroStati c Discharge, ESD）的破坏。

而新一代的CMOS芯片多半在输出入接脚（I/O pin）和电源及接地端具备ESD保护电路，以避免内部电路元件的闸极或是元件中的PN接面（PN -Junction）被ESD引起的大量电流烧毁。

不过大多数芯片制造商仍然会特别警告使用者尽量使用防静电的措施来避免超过ESD保护电路能处理的能量破坏半导体元件，例如安装内存模组到个人电脑上时，通常会建议使用者配戴防静电手环之类的设备。

此外，早期的CMOS逻辑元件（如4000系列）的操作范围可由3伏特至18伏特的直流电压，所以CMOS元件的闸极使用铝做为材料。

而多年来大多数使用CMOS制造的逻辑芯片也多半在TTL标准规格的5伏特底下操作，直到1990年后，有越来越多低功耗的需求与讯号规格出现，取代了虽然有着较简单的讯号接口、但是功耗与速度跟不上时代需求的TTL。

此外，随着MOSFET元件的尺寸越做越小，闸极氧化层的厚度越来越薄，所能承受的闸极电压也越来越低，有些最新的CMOS制程甚至已经出现低于1伏特的操作电压。

这些改变不但让CMOS芯片更进一步降低功率消耗，也让元件的性能越来越好。

近代的CMOS闸极多半使用多晶硅制作。

和金属闸极比起来，多晶硅的优点在于对温度的忍受范围较大，使得制造过程中，离子布值（ion implantation）后的退火（anneal）制程能更加成功。

此外，更可以让在定义闸极区域时使用自我校准（self-align）的方式，这能让闸极的面积缩小，进一步降低杂散电容（stray capacitance）。

2004年后，又有一些新的研究开始使用金属闸极，不过大部分的制程还是以多晶硅闸极为主。

关于闸极结构
的改良，还有很多研究集中在使用不同的闸极氧化层材料来取代二氧化硅，例如使用高介电系数介电材料（high-K dielectric），目的在于降低闸极漏电流（leakage current）。