เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม (CMOS) เป็นเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในวงจรรวม (IC) ส่วนใหญ่ในปัจจุบัน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าชิปหรือไมโครชิป ทรานซิสเตอร์ CMOS มีพื้นฐานมาจากเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) เรียกว่าทรานซิสเตอร์เสริมเพราะแต่ละองค์ประกอบประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สองตัวที่ทำงานร่วมกันเป็นคู่เสริม

ทรานซิสเตอร์ในเทคโนโลยี CMOS มีกี่ประเภท?

MOSFET ใช้สารกึ่งตัวนำในการนำไฟฟ้าภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง แต่ไม่นำไฟฟ้าภายใต้เงื่อนไขอื่น ในแง่ของการนำไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน โดยทั่วไปแล้วจะประกอบด้วยซิลิคอนและส่วนผสมของสารเจือปน ทำให้เกิดความสมดุลที่ลงตัวของการนำไฟฟ้า ซิลิคอนบริสุทธิ์ไม่นำไฟฟ้า MOSFET ทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือตัวขยายสัญญาณ ควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วระบายตามแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไป

กระบวนการเติมสารเจือปนลงในวัสดุ เช่น ซิลิคอน บางครั้งเรียกว่า การเจือปน (Doping) การเจือปนสารกึ่งตัวนำสามารถทำได้ในระดับต่างๆ เพื่อควบคุมการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ปัจจัยอื่นๆ ก็อาจส่งผลต่อการนำไฟฟ้าได้เช่นกัน เช่น ชนิดของสารเจือปนที่ใช้

ใน MOSFET สารเจือปนที่ใช้สำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์จะขึ้นอยู่กับชนิดของเซมิคอนดักเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์ใน MOSFET แบ่งออกเป็นสองประเภท คือ ประเภท p และประเภท n โดยทั่วไปแล้ว โบรอน แกลเลียม และอินเดียม มักใช้สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ประเภท p ส่วนฟอสฟอรัส อาร์เซนิก และบิสมัท มักใช้สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ประเภท n

สารกึ่งตัวนำชนิด p ซึ่งมีประจุบวก จะนำกระแสไฟฟ้าในรูปของโฮลที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าประจุบวก โฮลมีประจุบวกเท่ากับและมีทิศทางตรงข้ามกับประจุของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้ามกับโฮล ส่วนสารกึ่งตัวนำชนิด n มีประจุลบ ในกรณีนี้ สารกึ่งตัวนำจะนำกระแสไฟฟ้าในรูปของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ

เหตุใดจึงมีการเพิ่ม CMOS เข้ามา?

ทรานซิสเตอร์ MOSFET มีสองประเภทหลัก ได้แก่ p-channel MOS และ n-channel MOS ทั้งทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS ใช้สารกึ่งตัวนำชนิด p และชนิด n ในทรานซิสเตอร์ PMOS ขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วระบายใช้สารกึ่งตัวนำชนิด p ในขณะที่ซับสเตรตใช้สารกึ่งตัวนำชนิด n ส่วนทรานซิสเตอร์ NMOS นั้นตรงกันข้าม ขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วระบายใช้สารกึ่งตัวนำชนิด n ในขณะที่ซับสเตรตใช้สารกึ่งตัวนำชนิด p

ก่อนการมาถึงของ CMOS นั้น PMOS และ NMOS ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในที่สุด NMOS ก็กลายเป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมในวงจรรวม เนื่องจากมีความเร็วและต้นทุนการผลิตที่ถูกกว่า แม้ว่าจะมีข้อจำกัดบางประการ เช่น การใช้พลังงานไฟฟ้าสถิต

เทคโนโลยี CMOS ได้แก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นจากทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS โดยการรวมทรานซิสเตอร์ทั้งสองประเภทเข้าไว้ในวงจรรวมเดียวที่มีคู่ PMOS-NMOS แบบสมมาตร (เสริมกัน) เมื่อใช้ร่วมกัน ทรานซิสเตอร์ทั้งสองประเภทนี้จะให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นในการออกแบบวงจร ในขณะเดียวกันก็ลดการใช้พลังงานและลดสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ให้น้อยที่สุด

ข้อดีอีกประการหนึ่งของวงจร PMOS-NMOS แบบเสริมกันคือการใช้พลังงานน้อยกว่า เนื่องจากกระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านในช่วงเวลาสั้นๆ เมื่อสลับระหว่างสถานะเปิดและปิด ที่จริงแล้ว ไอซี CMOS แทบจะไม่ใช้พลังงานเลยในสภาวะคงที่ ดังนั้น การใช้พลังงานที่ต่ำกว่าจึงหมายความว่า ไอซี CMOS สร้างความร้อนน้อยกว่าเมื่อเทียบกับไอซีที่ใช้ PMOS หรือ NMOS เพียงอย่างเดียว

เนื่องจากการใช้พลังงานและการระบายความร้อนเป็นสองปัจจัยสำคัญในการออกแบบวงจรรวมประสิทธิภาพสูง ปัจจุบันตรรกะ CMOS จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในไมโครโปรเซสเซอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ หน่วยความจำแบบคงที่ เซ็นเซอร์ภาพ และวงจรรวมอื่นๆ และจากทุกแง่มุม การใช้งาน CMOS จะยังคงครองอุตสาหกรรมต่อไป

CMOS ในคอมพิวเตอร์คืออะไร?

BIOS หรือ Unified Extensible Software Interface (UEFI) ของคอมพิวเตอร์จะจัดเก็บการตั้งค่าระดับต่ำของคอมพิวเตอร์ไว้ในชิป CMOS หลายคนเรียก BIOS หรือ UEFI ของคอมพิวเตอร์ว่า CMOS เนื่องจากชิปนี้ต้องการพลังงานในการจัดเก็บการตั้งค่า เมนบอร์ดจึงมีแบตเตอรี่เพื่อจ่ายไฟอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาการตั้งค่าและจ่ายไฟให้กับนาฬิกาภายใน แบตเตอรี่นี้มักเรียกว่าแบตเตอรี่ CMOS และการรีเซ็ตการตั้งค่าบนเมนบอร์ดอาจเรียกว่า "การลบ CMOS" แบตเตอรี่ CMOS ที่หมดอาจทำให้คอมพิวเตอร์แสดงข้อผิดพลาดระหว่างการทดสอบตัวเองเมื่อเปิดเครื่องหรือสูญเสียเวลาปัจจุบัน

เซ็นเซอร์ CMOS

กล้องดิจิทัลใช้ไอซีเป็นเซ็นเซอร์เพื่อรวบรวมและวัดแสง โดยมีเซ็นเซอร์หลักสองประเภทที่ใช้กันคือ เซ็นเซอร์ CMOS และเซ็นเซอร์ CCD (Charged-coupled sensor)

เซ็นเซอร์ CMOS มีราคาถูกกว่าและผลิตได้ง่ายกว่า จึงถูกนำไปใช้ในงานถ่ายภาพดิจิทัลส่วนใหญ่ ในขณะที่เซ็นเซอร์ CCD มีความไวแสงสูงกว่าและเกิดสัญญาณรบกวนน้อยกว่า จึงถูกนำไปใช้ในงานทางวิทยาศาสตร์หรืองานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง