Yhteenveto

CMOS 4000 -sarja on CMOS-tekniikkaan (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) perustuva integroitujen piirien perhe, joka esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1968. 4000-sarja tunnetaan alhaisesta virrankulutuksestaan, korkeasta häiriönsietokyvystään ja laajasta käyttöjännitealueestaan, ja se on ollut digitaalisten logiikkapiirien suunnittelun kulmakivi. Tämä sarja sisältää erilaisia komponentteja, kuten logiikkaportteja, flip-floppeja, laskureita ja analogisia kytkimiä, joten se on erittäin monipuolinen ja soveltuu lukuisiin elektroniikkasovelluksiin. Transistori-transistorilogiikkaan (TTL) verrattuna CMOS-tekniikka tarjoaa selviä etuja erityisesti paristokäyttöisissä ja korkean melutason ympäristöissä. Yksi CMOS 4000 -sarjan merkittävimmistä ominaisuuksista on sen laaja syöttöjännitealue, tyypillisesti 3-15 V, joka mahdollistaa joustavuuden erilaisissa sovelluksissa ilman, että suorituskyky kärsii merkittävästi. Näiden laitteiden korkea tuloimpedanssi takaa minimaalisen häiriön kytkettyjen piirien kanssa, vaikka tämä edellyttää myös kaikkien käyttämättömien tulojen kytkemistä syöttöjännitteeseen, jotta estetään sähköisestä kohinasta johtuva epätasainen käyttäytyminen. Huolimatta toimintanopeuden rajoituksista, sillä vakiolaitteita ei yleensä ole suunniteltu 5 MHz:n taajuutta suuremmille taajuuksille, alhainen valmiustilan virrankulutus tekee CMOS 4000 -sarjasta erityisen sopivan energiatehokkaaseen suunnitteluun. Puolijohdetekniikan viimeaikaiset edistysaskeleet ovat parantaneet CMOS-laitteiden ominaisuuksia entisestään. Innovaatiot, kuten pystysuoraan pinotut portti-all-around (GAA) Si-nanokuitutransistorit ja erittäin liikkuvien kanavamateriaalien integrointi, ovat parantaneet nykyaikaisten CMOS-piirien suorituskykyä ja tehokkuutta. Tämä kehitys on laajentanut CMOS-tekniikan mahdollisia sovelluksia ja laajentanut sitä esimerkiksi kehittyneiden tietojenkäsittelylaitteiden ja joustavan elektroniikan aloille. CMOS 4000 -sarjan perintö on syvä, sillä se on asettanut standardin elektroniikkakomponenttien pienentämiselle ja integroinnille. Tämä sarja on vaikuttanut mikrokontrollereiden ja mikroprosessoreiden kehitykseen, ja sen vaikutus näkyy nykyisessä puolijohdeteknologiassa. Alkuperäisistä rajoituksista ja TTL-pohjaisten mallien aiheuttamasta kilpailusta huolimatta CMOS 4000 -sarja on pysynyt keskeisenä tekijänä digitaalielektroniikan kehityksessä ja edistänyt merkittävästi nykyaikaisten tietojenkäsittely- ja elektroniikkajärjestelmien kehitystä.

Tekniset tiedot

4000-sarjan CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, täydentävä metallioksidipuolijohde) -perheellä on useita keskeisiä ominaisuuksia, jotka erottavat sen muista logiikkaperheistä, kuten TTL (Transistor-Transistor Logic, transistori-transistorilogiikka). Näiden ominaisuuksien ansiosta se soveltuu erilaisiin elektroniikkasovelluksiin, erityisesti sellaisiin, jotka edellyttävät pientä virrankulutusta ja korkeaa häiriönsietokykyä. 4000-sarjan CMOS-laitteiden syöttöjännitealue on melko laaja, tyypillisesti 3-15 V, mikä mahdollistaa jonkin verran vaihtelua ilman, että se vaikuttaa merkittävästi suorituskykyyn.

. Näiden laitteiden korkea tuloimpedanssi varmistaa, että ne eivät vaikuta merkittävästi piireihin, joihin ne on liitetty. Korkea impedanssi tarkoittaa kuitenkin myös sitä, että kytkemättömät tulot voivat helposti ottaa vastaan sähköistä kohinaa, mikä aiheuttaa epävakaata käyttäytymistä ja lisää syöttövirtaa. Tämän vähentämiseksi kaikki käyttämättömät tulot on kytkettävä syöttöjännitteeseen, joko +Vs tai 0V. Yksi CMOS-tekniikan merkittävä etu on sen alhainen valmiustilan virrankulutus, joka on huomattavasti alhaisempi kuin TTL-laitteiden. CMOS-laitteen toimintataajuuden kasvaessa kasvaa kuitenkin myös sen virrankulutus, joka voi suurilla taajuuksilla olla verrattavissa TTL-laitteiden virrankulutukseen. Tästä huolimatta CMOS-laitteet kuluttavat keskimäärin vähemmän virtaa kuin TTL-laitteet, joten ne soveltuvat paremmin akkukäyttöisiin sovelluksiin. CMOS 4000 -sarjan laitteilla on myös joitakin rajoituksia toimintanopeuden suhteen. Vakiomallisia 4000-sarjan CMOS-IC-piirejä ei yleensä ole suunniteltu toimimaan yli 5 MHz:n taajuuksilla. Joillakin sarjan kehittyneemmillä IC-piireillä voi olla vaikeuksia päästä edes tähän vaatimattomaan taajuuteen. Sitä vastoin TTL-laitteissa on yleensä lyhyemmät etenemisviiveet, joten ne soveltuvat paremmin sovelluksiin, joissa tarvitaan suuria kytkentätaajuuksia. Lisäksi CMOS-tekniikka tarjoaa paremman häiriönsietokyvyn täydentävän rakenteensa ansiosta. Tämän ominaisuuden ansiosta CMOS on suositeltavampi sähkömagneettisille häiriöille alttiissa ympäristöissä. Varhaisten CMOS-laitteiden herkkyys gammasäteilylle ja muille tekijöille aiheutti kuitenkin haasteita tietyissä sovelluksissa, kuten ulkoavaruushankkeissa, vaikka nämä ongelmat on ratkaistu uudemmissa malleissa.

Viimeaikaiset edistysaskeleet

Puolijohdeteknologian viimeaikaiset edistysaskeleet ovat mahdollistaneet merkittävät parannukset transistorien valmistuksessa ja integroinnissa, erityisesti pystysuoraan pinottujen portin ympärille sijoitettujen pii (Si) -nanodrallitransistorien ja fin-kenttäefektitransistorien (FinFET) osalta.

Pystysuoraan pinotut portti-ympäriinsä Si-nanojohtimella varustetut transistorit

Yksi tärkeimmistä innovaatioista on pystysuoraan pinottujen portti-all-around (GAA) Si-nanokuitutransistorien kehittäminen. Tämä arkkitehtuuri tarjoaa paremman prosessinhallinnan ja paremman laitteen suorituskyvyn. Tutkijat ovat keskittyneet keskeisiin prosessin optimointeihin ja osoittaneet näiden transistorien tehokkuuden rengasoskillaattorisovelluksissa.

. Pystysuorien nanodirojen ja nanolevyjen käyttö kenttäefektitransistoreissa (FET) on osoittanut mahdollisuuksia nopeampiin ja energiatehokkaampiin piireihin.

Korkean liikkuvuuden kanavamateriaalit

FinFET-piirien suorituskyvyn parantamiseksi on tutkittu merkittävästi perinteisten piikanavien korvaamista erittäin liikkuvilla materiaaleilla, kuten pii-germaniumilla (SiGe), germaniumilla (Ge) ja germanium-tinillä (GeSn). Nämä materiaalit kerrostetaan valikoivasti transistorirakenteisiin, ja epitaksiaalisen kasvun aikana muodostuvat viat rajoittuvat lähelle evien sivuseinämiä.

. Tämä prosessi mahdollistaa korkealaatuisten materiaalien luomisen laitteiden pystysuoriin kaivantoihin.

2D-materiaalien matalan lämpötilan kasvu ja integrointi

MIT:n tutkijoiden uraauurtava kehitys on ollut matalan lämpötilan kasvuprosessi 2D-materiaalien integroimiseksi suoraan piisiruihin. Tämä uusi tekniikka poistaa korkean lämpötilan prosessien rajoitukset, jotka voivat vahingoittaa piipiiriä, ja mahdollistaa 2D-siirtymämetallidikalkogenidimateriaalien (transition metal dichalcogenide, TMD) saumattoman integroinnin täysin valmistettuihin piisiruihin.

. Tällä lähestymistavalla vältetään 2D-materiaalien siirtämiseen liittyvät epätäydellisyydet ja lyhennetään merkittävästi kasvuaikaa, minkä ansiosta tasaisia kerroksia voidaan kerrostaa suuremmille 8 tuuman kiekoille.

Mahdolliset sovellukset

Matalan lämpötilan kasvutekniikan kehittyminen avaa uusia mahdollisuuksia pinota useita kerroksia 2D-transistoreja ja luoda tiheämpiä ja tehokkaampia siruja. Lisäksi prosessia voitaisiin soveltaa joustaviin pintoihin, kuten polymeereihin, tekstiileihin tai jopa paperiin, mikä mahdollistaisi puolijohdekomponenttien integroinnin arkipäiväisiin esineisiin, kuten vaatteisiin tai kannettaviin tietokoneisiin.

.

Yhteiset perheet

CMOS 4000 -sarja on luokiteltu useisiin alaryhmiin, jotka on suunniteltu vastaamaan erityisiin toiminnallisiin tarpeisiin ja sovellusvaatimuksiin. Näistä merkittävimpiä ovat 4000B-, 74HC- ja 74AC-alatuoteperheet.

4000B-sarja

4000B-sarja, joka tunnetaan myös nimellä puskuroitu sarja, otettiin käyttöön noin vuonna 1975 parannuksena alkuperäiseen 4000A-sarjaan verrattuna, koska siinä oli vakavia puutteita.

. 4000B-sarjan ensisijainen parannus on kolme perusvaihtosuuntaajaa, jotka on kytketty sarjaan ja jotka tuottavat tyypillisesti 70-90 dB:n lineaarisen jännitevahvistuksen. Näiden invertterien jännitteensiirto-ominaisuudet varmistavat, että kaikki tulot, jotka ovat alle kolmasosan syöttöjännitteestä (VDD), tunnistetaan logiikka-0:ksi, kun taas kaikki tulot, jotka ovat yli kaksi kolmasosaa VDD:stä, tunnistetaan logiikka-1:ksi. 4000B-sarja voi toimia syöttöjännitealueella 3V-15V ja käsitellä maksimitaajuuksia jopa 2 MHz 5V:n jännitteellä tai 6 MHz 15V:n jännitteellä.

74HC- ja 74AC-sarjat

Korkeampia toimintataajuuksia ja eri jännitealueita vaativissa sovelluksissa käytetään usein mieluummin 74HC- ja 74AC-alaperheitä. 74HC-sarja soveltuu syöttöjännitteille 2-6 V, ja sen toimintaominaisuudet ulottuvat 40 MHz:iin 5 V:n jännitteellä.

. Sen sijaan 74AC-sarja pystyy hallitsemaan jopa 100 MHz:n taajuuksia 5 V:n jännitteellä. Nämä perheet tarjoavat paremman suorituskyvyn kuin 4000B-sarja, mutta ne vaativat tiukemmat virtalähdeolosuhteet.

Liitäntävalmiudet

CMOS-tuoteperheen valinta riippuu myös sovelluksen erityisistä tulo- ja lähtövaatimuksista. Esimerkiksi 4000B-sarja voi ohjata vain yhtä tavallista LS TTL -tuloa, kun taas 74HC- ja HCT-sarjat voivat ohjata jopa 10 tuloa ja 74AC- ja ACT-sarjat jopa 60 LS TTL -tuloa.

. Tämä monipuolisuus tekee 74-sarjasta suositun valinnan nykyaikaisissa digitaalisissa piireissä, joissa yhdistyvät sekä TTL- että CMOS-tekniikat, mikä laajentaa mahdollisten sovellusten valikoimaa.

Erikoistuneet perheet

Erikoistuneet alaryhmät, kuten 74HCT ja 74ACT, on suunniteltu ohjautumaan suoraan TTL-lähtöihin, ja niitä käytetään tietyissä sovelluksissa, joissa tämä yhteensopivuus on ratkaisevan tärkeää.

. 4000UB-alatuoteperhe, joka on 4000B-sarjan muunnos, on saatavana yksinkertaisina puskuri- ja invertteri-CC:nä.

Sovellukset

CMOS 4000 -sarjan integroituja piirejä käytetään monissa eri sovelluksissa niiden monipuolisuuden, alhaisen virrankulutuksen ja korkean häiriönsietokyvyn ansiosta. Nämä laitteet ovat keskeisessä asemassa monenlaisten digitaalisten logiikkapiirien rakentamisessa yksinkertaisista porteista monimutkaisiin järjestelmiin.

Digitaaliset logiikkapiirit

CMOS 4000 -sarjan IC-piirit ovat olennaisen tärkeitä digitaalisten logiikkapiirien luomisessa. Ne sisältävät peruskomponentteja, kuten inverttereitä, puskureita, AND-portteja, OR-portteja ja flip-floppeja, jotka ovat välttämättömiä suurempien ja monimutkaisempien piirien rakentamisessa. Esimerkiksi CD4016 on CMOS 4000 -sarjan nelinkertainen analoginen kytkin-IC, joka voi ohjata analogisia signaaleja molempiin suuntiin, joten se soveltuu sovelluksiin, joissa tarvitaan signaalien reititystä ja kytkentää.

. Toinen merkittävä laite on CD4066, samanlainen nelinkertainen analoginen kytkin, jolla on alhainen "ON"-vastus ja jota käytetään usein vaihtoehtona CD4016:lle.

Laskurit ja ajastimet

Laskurit ja ajastimet ovat ratkaisevan tärkeitä monissa elektroniikkasovelluksissa, ja CMOS 4000 -sarjassa on useita vaihtoehtoja näihin tarkoituksiin. Näitä IC-piirejä käytetään tapahtumien laskemiseen, ajoitussignaalien tuottamiseen ja toimintojen järjestyksen hallintaan digitaalisissa järjestelmissä. Esimerkiksi CMOS 4000 -sarjan laskurit voivat tallentaa ja näyttää vastaanotettujen kellopulssien määrän, mikä tekee niistä korvaamattomia ajoitussovelluksissa.

.

Mikrokontrollerit ja mikroprosessorit

CMOS-tekniikka on yleistä myös mikrokontrollereiden ja mikroprosessoreiden kehityksessä, ja Microchipin PIC-sarjan ja AMD:n Ryzen-prosessoreiden kaltaiset laitteet ovat esimerkkejä CMOS-piirien energiatehokkuudesta ja joustavuudesta.

. Nämä kehittyneet mikrokontrollerit ja prosessorit ovat olennainen osa nykyaikaisia tietotekniikka- ja elektroniikkajärjestelmiä, ja ne tarjoavat entistä parempaa suorituskykyä ja pienempää virrankulutusta.

Kehittyneet CMOS-teknologiat

CMOS-tekniikan jatkuva kehitys on johtanut yhä kehittyneempien sovellusten kehittämiseen. Esimerkiksi pystysuoria piin nanodrimejä ja portin ympärillä olevia kenttäefektitransistoreja (GAAFET) tutkitaan CMOS:n lopullisen skaalauksen saavuttamiseksi, ja ne lupaavat suurempaa suorituskykyä ja pienempiä laitemittoja.

. Nämä innovaatiot laajentavat CMOS-laitteiden ominaisuuksia uusille tietotekniikan ja elektroniikan alueille.

Suositut IC:t

CMOS 4000 -sarjaan kuuluu monenlaisia integroituja piirejä, jotka palvelevat eri toimintoja digitaalisessa elektroniikassa. Nämä integroidut piirit ovat erittäin monipuolisia ja niitä käytetään yleisesti eri sovelluksissa niiden vankkojen ominaisuuksien ja helppokäyttöisyyden ansiosta.

Yleiset IC:t ja niiden toiminnot

Useita CMOS 4000 -sarjan integroituja piirilevyjä käytetään usein digitaalisten piirien suunnittelussa.

• CD4011: Tämä IC koostuu neljästä itsenäisestä NAND-portista, joissa jokaisessa on kaksi tuloa. NAND-portti antaa LOW-ulostulon vain silloin, kun kaikki sisääntulot ovat HIGH; muussa tapauksessa ulostulo on HIGH. Sitä käytetään laajalti SR-salpaimien ja D-flip-floppien suunnitteluun, ja se löytyy valmistajasta riippuen eri merkinnöillä, kuten CD4011, NTE4011, MC14011, HCF4011, TC4011 tai HEF4011.
• 40106: Tämä IC tunnetaan Hex Inverter Schmitt-triggerituloilla, ja sen pinout on yhteensopiva 4069:n kanssa. Se tarjoaa kuusi itsenäistä invertteriporttia, joissa on Schmittin laukaisutulot, joita käytetään signaalin käsittelyyn ja estämään kohinan aiheuttama väärä laukaisu.
• 4572: Tämä IC on nelinkertainen invertteri, joka sisältää 2-tuloisen NOR-portin ja 2-tuloisen NAND-portin. NOR- ja NAND-portit voidaan muuntaa inverttereiksi, mikä tarjoaa joustavuutta erilaisissa logiikkatoiminnoissa.
• 4093: 4093 on nelinkertainen 2-tuloinen NAND-portti, jossa on Schmitt-triggeritulot. Tämä IC on erityisen hyödyllinen sovelluksissa, joissa tarvitaan häiriönsietokykyä ja signaalin vakautta Schmitt-triggeritulojen ansiosta.
• 40107: Tässä Dual 2-Input NAND-portissa on open drain -lähdöt, jotka pystyvät ohjaamaan jopa 32 CMOS-kuormaa. Se on saatavana DIP-8-paketissa, ja sitä hyödynnetään korkean ajovirran sovelluksissa.

Erikoistuneet IC:t

Yleiskäyttöisten logiikkaporttien lisäksi CMOS 4000 -sarjaan kuuluu erikoistuneita IC-piirejä, jotka on suunniteltu erityissovelluksiin:

• 4511: Tämä IC toimii BCD:stä seitsemän segmentin salpaan/dekooderina/ohjaimena, jossa on lampun testitulo. Sitä käytetään seitsemän segmentin näyttöjen ohjaamiseen numeerisissa lukemissa.
• 4516: 4516 on binäärinen ylös/alas-laskuri, jota käytetään laskentasovelluksissa, joissa tarvitaan sekä laskennan lisäystä että vähennystä.
• 4521: Tätä 24-vaiheista taajuusjakajaa ja oskillaattori-IC:tä käytetään ajoitussovelluksissa, joissa tarvitaan tarkkaa taajuusjakoa.

Valmistajat

CMOS 4000 -sarjan IC-piirejä valmistavat useat eri valmistajat, joista kukin tarjoaa hieman erilaisia versioita, mutta joiden ydintoiminnot säilyvät. Joitakin nykyisiä valmistajia ovat Nexperia, ON Semiconductor ja Texas Instruments. Myös entiset valmistajat, kuten Hitachi, RCA ja monet entisen Neuvostoliiton valmistajat, ovat osallistuneet merkittävästi näiden integroitujen piirien kehittämiseen ja yleistymiseen.

. Nämä IC:t muodostavat monien digitaalisten järjestelmien selkärangan, ja ne ovat edelleen keskeisessä asemassa nykyaikaisen elektroniikan suunnittelussa ja toteutuksessa.

Edut

Vuonna 1969 kehitetty CMOS 4000 -sarja toi merkittävää edistystä digitaalielektroniikkaan CMOS-tekniikan (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) avulla. Yksi CMOS-tekniikan tärkeimmistä eduista on sen alhainen virrankulutus. CMOS-piirit kuluttavat virtaa vain tilasiirtymien aikana, mikä tekee niistä erittäin energiatehokkaita verrattuna TTL-piireihin (Transistor-Transistor Logic), joissa virtaa virtaa kulkee jatkuvasti transistorien läpi, vaikka ne olisivat staattisessa tilassa.

. Toinen merkittävä etu on CMOS-logiikkaporttien korkea tuloimpedanssi ja matala lähtöimpedanssi, jotka tarjoavat erinomaisen häiriönsietokyvyn. Tämän ominaisuuden ansiosta CMOS-piirit pystyvät säilyttämään signaalin eheyden meluisissa ympäristöissä, joten ne soveltuvat erinomaisesti sovelluksiin, jotka vaativat vankkaa suorituskykyä sähkömagneettisesti häiriintyneissä olosuhteissa. CMOS-tekniikka tarjoaa myös joustavan käyttöjännitealueen, tyypillisesti 3V-15V, mikä mahdollistaa mukautuvuuden erilaisiin elektronisiin sovelluksiin, joissa on erilaisia jännitevaatimuksia. Tämä monipuolisuus on vastakohta TTL-piireille, jotka toimivat kapeammalla jännitealueella, yleensä noin 5 V:n alueella. Lisäksi CMOS-piirien kyky vaihtaa lähtöjännitteitä täysin syöttökiskojen arvojen välillä ilman mahdollisia saturaatiosta tai eteenpäin suuntautuneista liitosjännitteistä johtuvia häviöitä parantaa niiden tehokkuutta ja toimintavarmuutta. Lähtöohjauskyvyn osalta CMOS-laitteet voivat lähteä tai nielaista huomattavia lähtövirtoja säilyttäen samalla alhaisen lepovirran kulutuksen, joka on tyypillisesti lähellä nollaa (noin 0,01 µA) logiikka-0- tai logiikka-1-tulolla. Tämän ansiosta CMOS-tekniikka on paitsi tehokasta myös riittävän suorituskykyistä ohjaamaan merkittäviä kuormia, mikä on osaltaan vaikuttanut sen laajaan käyttöön erilaisissa elektroniikkasovelluksissa. Lisäksi CMOS 4000 -sarjassa on laajat diodiresistanssit, jotka suojaavat MOSFET:iä staattisilta varauksilta ja parantavat siten kestävyyttä ja luotettavuutta. Lisähyötyjä ovat parannettu ulostulon symmetrisyys ja häiriönsieto gammasäteilyn vaikutuksille, jotka tekevät CMOS-tekniikasta luotettavan valinnan monenlaisiin elektronisiin järjestelmiin.

Rajoitukset

CMOS 4000 -sarjaan kohdistui aluksi huomattavia haasteita, koska sen kytkentänopeudet olivat verrattain alhaisemmat kuin TTL-pohjaisissa (transistori-transistorilogiikka) malleissa. Varhainen käyttöönotto oli hidasta näiden nopeusrajoitusten vuoksi, joita lopulta lievennettiin valmistusmenetelmien kehittymisellä, kuten toteuttamalla itsesuuntautuneita portteja, jotka olivat polysilikonia metallin sijasta.

. Näistä parannuksista huolimatta 4000-sarjan CMOS-malleissa oli edelleen hieman pidemmät etenemisviiveet kuin TTL-malleissa, mikä voi vaikuttaa sovelluksiin, joissa tarvitaan nopeaa suorituskykyä. Toinen CMOS-tekniikan merkittävä rajoitus on sen herkkyys sähköstaattiselle purkaukselle (ESD). Integroidut CMOS-piirit ovat alttiita staattisen sähkön aiheuttamille vaurioille, mikä edellyttää tiukkaa testausta ja suojausmekanismeja luotettavuuden varmistamiseksi. Testaukseen kuuluu yleensä staattisen purkauksen simulointi piireillä, jotka jäljittelevät ihmiskehon kapasitanssia ja resistanssia, jotta voidaan arvioida CMOS-IC-piirien kestävyyttä ESD-olosuhteissa. Nykyaikaisten CMOS-IC-piirien odotetaan selviytyvän jopa 2,5 kV:n testijännitteistä eri testitiloissa, jotta niiden kestävyys voidaan taata todellisissa sovelluksissa. Nopeuteen ja ESD:hen liittyvien huolenaiheiden lisäksi CMOS-integroitujen piirien valmistusprosessi voi olla monimutkaisempi ja kalliimpi kuin muilla tekniikoilla. Tämä monimutkaisuus johtuu kehittyneistä tekniikoista, joita tarvitaan CMOS-tekniikan tarjoaman korkean integraatiotason ja energiatehokkuuden saavuttamiseksi. Tämän seurauksena valmistuskustannukset voivat olla korkeammat, mikä saattaa vaikuttaa CMOS-pohjaisten laitteiden hintakilpailukykyyn huolimatta niiden eduista virrankulutuksessa ja häiriönsietokyvyssä. CMOS-piireillä on lisäksi erityisiä jännitealuevaatimuksia, jotta ne toimisivat optimaalisesti, mikä saattaa edellyttää lisäsuunnittelua, kun niitä integroidaan erilaisiin elektroniikkasovelluksiin. Vaikka CMOS-piirien joustavuus eri jännitetasoilla toimimiseen on etu, se tarkoittaa myös sitä, että suunnittelijoiden on hallittava nämä vaatimukset huolellisesti suorituskykyongelmien välttämiseksi.

Vertailut

CMOS 4000 -sarjan integroituja piirejä verrataan usein TTL (transistori-transistorilogiikka) -piirien vastaaviin, erityisesti virrankulutuksen, nopeuden, häiriönsietokyvyn ja yleisen käyttökelpoisuuden osalta. CMOS, joka on lyhenne sanoista Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (täydentävä metallioksidipuolijohde), käyttää sekä NMOS- (N-kanavainen metallioksidipuolijohde) että PMOS-transistoreja (P-kanavainen metallioksidipuolijohde). Tämän kokoonpanon ansiosta CMOS-piirit voivat saavuttaa alhaisen virrankulutuksen ja korkean häiriönsietokyvyn, toimia tehokkaasti laajemmalla jännitealueella ja tarjota korkeamman tuloimpedanssin TTL-piireihin verrattuna.

. TTL-piireissä sen sijaan käytetään logiikkatoimintojen suorittamiseen bipolaarisia liitostransistoreja (BJT), jotka tunnetaan nopeista kytkentänopeuksistaan ja suuresta lähtövirran kapasiteetistaan. TTL toimii kuitenkin kapeammalla jännitealueella ja sen tuloimpedanssi on pienempi kuin CMOS:n, mikä rajoittaa sen käyttökelpoisuutta tietyissä sovelluksissa. Valinta CMOS:n ja TTL:n välillä riippuu pitkälti sovelluksen erityisvaatimuksista. CMOS:ää suositaan esimerkiksi akkukäyttöisissä laitteissa sen alhaisen virrankulutuksen ja suuren kohinamarginaalin vuoksi. Toisaalta TTL:n nopea suorituskyky tekee siitä sopivan sovelluksiin, joissa tarvitaan nopeaa kytkentää. TTL:n nopeista kytkentänopeuksista huolimatta CMOS:ää pidetään yleensä edullisempana nykyaikaisissa malleissa. CMOS-piireillä on parempi häiriönsieto ja ne kuluttavat vähemmän virtaa. Ne tarjoavat myös suuremman lähtötehon ja ovat taloudellisempia, ja niiden pienempi koko ja suuremmat fan-out-mahdollisuudet mahdollistavat useampien kuormien kytkemisen lähtöliittimeen. Lisäksi CMOS-piireissä voidaan käyttää sekä NAND- että NOR-portteja, mikä lisää suunnittelun monipuolisuutta.

Perintö ja vaikutus

1960-luvulla esitelty CMOS 4000 -sarjan integroidut piirit merkitsivät merkittävää muutosta elektroniikassa, erityisesti digitaalisen logiikan ja signaalinkäsittelyn alalla. Aikana, jolloin puolijohdeteknologian kehitys kiihtyi nopeasti, sarja tarjosi monipuolisen ja luotettavan alustan monenlaisiin sovelluksiin kulutuselektroniikasta sotilasjärjestelmiin. CMOS 4000 -sarja sisältää erilaisia logiikkaportteja, flip-floppeja, laskureita ja muita perustavanlaatuisia rakennuspalikoita, jotka helpottivat monimutkaisempien järjestelmien suunnittelua luotettavammin ja pienemmällä virrankulutuksella verrattuna aiempiin transistori-transistorilogiikkatekniikoihin (TTL). CMOS 4000 -sarjan vaikutus ulottui kauas sen alkuperäistä kaupallista menestystä pidemmälle. Se asetti standardin elektronisten komponenttien integroinnille ja pienentämiselle ja katalysoi mikrokontrollerien ja mikroprosessorien suunnittelun kehitystä, joka jatkui seuraavina vuosikymmeninä.

. Näiden integroitujen piirien monipuolisuus mahdollisti niiden sisällyttämisen lukuisiin tuotteisiin, mikä edisti innovointia useilla eri aloilla. Lisäksi CMOS-tekniikan käyttöönotto vaikutti merkittävästi puolijohdeteollisuuden kehitykseen, mikä aiheutti muutoksia valmistusprosesseissa sekä uusien materiaalien ja tekniikoiden käyttöönoton. Neuvostoliitossa ja sen liittolaismaissa puolijohteiden kehitys kulki kuitenkin geopoliittisten tekijöiden vuoksi ainutlaatuista polkua. Puolijohteiden valmistuslaitteiden ja taitotiedon vientiä Neuvostoliittoon koskevat tiukat vientikiellot johtivat samansuuntaiseen mutta erilaiseen teknologiseen kehitykseen. Koska länsimaista huippuluokan puolijohdeteknologiaa ei ollut saatavilla, neuvostoliittolaisten insinöörien oli turvauduttava vanhempiin, vähemmän kehittyneisiin puolijohdekomponentteihin, ja suuri osa kotimaisesta tuotannosta suunnattiin sotilaallisiin sovelluksiin. Tämä teknologinen jälkeenjääneisyys jatkui Neuvostoliiton hajoamiseen asti, jonka jälkeen markkinoille tulvi kulutustavaroita, jotka sisälsivät kehittyneitä länsimaisia IC-piirejä, mikä johti paikallisten elektroniikkavalmistajien, kuten Tšekkoslovakian Teslan, nopeaan vanhentumiseen. Näistä haasteista huolimatta CMOS 4000 -sarjan maailmanlaajuinen vaikutus oli kiistaton. Se tasoitti tietä nykyaikaisen elektroniikan tunnusmerkkeinä olevalle pienentämiselle ja integroinnille. Intelin äärimmäisen ultraviolettilitografian (EUV) kaltaiset innovaatiot ja jatkuva pyrkimys pienentää solmujen kokoa ja lisätä transistoritiheyttä ovat varhaisen CMOS-teknologian perustyön suoria jälkeläisiä. Kehittyneiden materiaalien ja prosessien jatkuva tutkimus, jonka tavoitteena on saavuttaa triljoonan transistorin sirun kaltaisia virstanpylväitä, kuvastaa CMOS 4000 -sarjan perintöä puolijohdeteknologian mahdollisuuksien rajojen pidentämisessä.