CMOS란(CMOS 사용 이유, 특징)

1. CMOS란?

○ Complementary Metal Oxide Semiconductor의 약자로 금속 산화막 반도체라고 불립니다.

 

○ CMOS는 N-type의 MOSFET과 P-type의 MOSFET을 접속한 것으로 각 Type의 MOSFET의 특성을 상호 보완하는 특징을 갖고 있습니다.

○ 대표적인 CMOS 특징으로는

첫 번째 소비전력면에서 개별 MOSFET보다 매우 우수한 특성을 가집니다.

두 번째 출력 특성이 좋습니다.

 

○ 또한 CMOS는 BJT 트렌지스터와 비교해서 집적도가 50~100배 더 높은 장점도 있는데,

○ 이는 BJT 트랜지스터로 NOT, NOR과 같은 기본적인 Gate를 구성하려면, 2개 또는 4개의 BJT 트랜지스터가 필요하기 때문입니다.

 

○ 뿐만 BJT 트렌지스터로 구성한 회로는 회로 자체도 CMOS로 구성하는 것 보다 복잡합니다.

2. CMOS의 동작

○ CMOS의 동작에 대해서 설명입니다.

○ 하지만 그 전에 NMOS와 PMOS의 동작 특징에 대해서 먼저 알아야 합니다.

1) NMOS의 동작 특징

○ 만약 NMOS Gate에 + 전압을 인가하게 되면, NMOS가 ON이 될 것입니다.

○ 이때, 소스 단자로부터 들어오는 Low level Voltage의 입력 신호는 손실 없이 드레인 단자로 출력하게 됩니다.

○ 반면 NMOS Gate에 –전압을 인가하게 되면 채널이 형성되지 않게 됩니다.

○ 따라서 제대로 된 출력이 나오지 않게 됩니다.

2) PMOS의 동작 특징

○ 만약 PMOS Gate에 - 전압을 인가하게 되면 PMOS가 ON이 될 것입니다.

○ 이때, 소스 단자로부터 들어오는 입력신호가 High Level Voltage면 손실없이 출력될 수 있습니다.

○ 반면 PMOS에 +전압을 인가하게 되면 채널이 형성되지 않게 됩니다.

○ 따라서 제대로 된 출력이 나오지 않게 됩니다.

3) CMOS의 동작 특징

○ 위 사진은 CMOS로 이뤄진 기본적인 인버터 회로입니다.

○ CMOS는 NMOS와 PMOS를 모두 사용하고 있습니다.

○ 따라서 NMOS의 출력값이 제대로 나오지 않는 – 전압을 인가하더라도 PMOS가 ON 되어 제대로된 출력 값을 얻을 수 있으며,

○ PMOS의 출력값이 제대로 나오지 않는 +전압을 인가할지라도 NMOS가 ON 되어 제대로 된 출력 값을 얻을 수 있습니다.

 

○ 즉 +전압을 인가하는 경우에도 반대로 –전압을 인가하는 경우에도 둘다 모두 제대로된 출력값을 얻을 수 있습니다.

3. CMOS를 사용하는 이유

1) CMOS가 소비전력이 낮음

○ CMOS가 소비전력이 낮은 이유를 설명하기 위해서는 위에 설명과 또 다른 NMOS 특징을 먼저 살펴볼 필요가 있습니다.

 

<NMOS의 특징>

○ NMOS는 채널이 N으로 형성되어 전자를 이용합니다.

○ 전자를 이용하기에 정공을 이용하는 PMOS보다 속도가 2~3배 빠른 장점이 있습니다.

 

○ 다만 NMOS의 경우에는 정적 전류가 발생하여 소모전력이 큰 단점이 있습니다.

○ 즉 NMOS가 소비전류가 높다는 것을 의미합니다.

 

○ 반면 CMOS의 경우 스위칭을 할 때만 전력을 소모하기 때문에 동적 전력뿐만 아니라 정적 전력을 소비하는 NMOS 보다 훨씬 소모전력이 적습니다.

 

 

○ CMOS가 소비전력이 낮은 또 다른 이유는 아래에 있습니다.

2) CMOS의 출력 특성이 좋음

○ CMOS의 전력특성이 좋은 이유는 저항을 사용하지 않기 때문입니다.

○ 이때문에 소비전력도 적으면서 출력 특성도 좋아집니다.

 

○ NMOS를 기준으로 설명드리겠습니다.

○ 위 그림은 NMOS로 만든 회로입니다.

 

○ 입력이 1일 경우 NMOS가 ON되어 Vdd의 값이 그대로 출력될 수 있습니다.

○ 하지만 입력이 0일 경우 NMOS가 OFF가 되고, Vcc의 값은 저항을 거쳐 출력으로 나갑니다.

○ 이 저항 때문에 소비전력이 생기게 되고, 원하는 출력값이 나오지 않게 됩니다.

 

○ 이때 원하는 출력값을 얻으려면, 더 높은 Vcc 값은 인가해야 될 것입니다.