5-5-5-0 - System Digital

CMOS TRANSISTOR
KELOMPOK 5:
PURWANDITA
SELINA AMELIA SAVITTRI
INDAH PERMATA SYAHNAN
ANASTASIA LEONITA SEMBIRING
MASMUR SIJABAT
AISYAH MEIROSI
ILMU KOMPUTER
FASILKOM-TI USU
Pengertian CMOS
CMOS kepanjangan dari Complementary Metal Oxide Semiconductor. CMOS
adalah jenis teknologi sirkuit terpadu. Istilah ini sering digunakan untuk merujuk pada
sebuah chip bertenaga baterai yang ditemukan di banyak komputer pribadi yang
menyimpan beberapa informasi dasar, termasuk tanggal dan waktu dan pengaturan
sistem konfigurasi yang dibutuhkan oleh sistem input/output dasar (BIOS) untuk
mengawali komputer. CMOS dapat juga disebut sebuah baterai yang digunakan oleh
BIOS untuk menyimpan settingannya dan tetap aktif tanpa adanya aliran listrik, jenis
chip semi-konduktor yang menyimpan data tanpa membutuhkan sumber daya
eksternal.
Sejarah CMOS
Telah dinyatakan sebelumnya bahwa angkatan pertama CMOS adalah singletransistor. Perjalanan dari transistor menjadi CMOS cukup panjang, pada tahun 1947
transistor pertama kali digunakan oleh J. Bardeen, W. Brattain di Bell Labs. Lalu pada
tahun 1949, W. Shockley menemukan transistor bipolar. Selang tujuh tahun
kemudian, Harris membuat bipolar digital logic gate yang pertama kalinya. Monolithic
Integrated Circuits pertama kali ditemukan oleh Javk Kilby dari Texas Instruments
pada thun 1958. Sementara logic gate integrated circuit pertama kali dijual oleh
Fairchild pada tahun 1960. CMOS gate pertama kali dikembangkan oleh F
Wanlass dan C. Sah pada tahun 1963 namun terhalang dikarenakan masalah
manufaktur. Pada tahun 1960an juga untuk pertama kalinya digunakan PMOS pada
kalkulator. Pada tahun 1972, Intel 4004 mengembangkan revolusi kedua
dari integrated circuit dimana NMOS digunakan dan diprioritaskan pada kecepatan
pemrosesan informasi. Pada tahun 1980an CMOS barulah mulai digunakan setelah
disempurnakan. Selain itu, selama perjalanannya CMOS sendiri mengalami evolusi
pada segi kompleksitasnya. Tingkat kompleksitas ini ditunjukkan dari jumlah ''logic
blocks'' per chip. Ketika masih menggunakan single transistor jumlahnya masih
kurang dari satu. Hal ini berlangsung pada tahun 1958. Lalu pada tahun 1960
berkembang menjadi satu ketika unit logic atau one gate mulai digunakan.
Selanjutnya ketika memasuki era multi function pada tahun 1962 tingkat kompleksitas
meningkat menjadi dua sampai empat logic blocks per chip. Memasuki
tahun1964, complex function, kompleksitas memasuki jumlah lima sampai 20.
Memasuki era medium scale integration atau disebut juga dengan MSI, kompleksitas
mencapai 20 sampai 200. Era large scale integration atau LSI pada tahun 1972
memiliki kompleksitas 200 sampai 2000. Kompleksitas mencapai 2000 sampai
20.000 logic blocks per chip pada era very large scale integration atau VLSI pada
tahun 1978. Dan pada tahun 1989, di era ultra large scale integration, jumlah logic
blocks sudah melebihi 20.000. Jumlah logic blocks akan terus meningkat karena
jumlah logic blocks akan mempengaruhi kerja dari suatu alat. Semakin banyak
jumlah logic blocks, semakin baik pula kinerja dari alat tersebut. Karena itu hal yang
penting mengembangkan teknologi nano dalam pembuatan chip karena ukuran benda
nano yang kecil akan sangat memungkinkan membuat logic blocks pada sebuah chip
dengan jumlah yang lebih banyak tanpa harus memperbesar bentuk chip sendiri.
Sementara menyangkut teknologi mengenai nano sendiri diperkenalkan awalnya
oleh Richard Feyman yang terkenal dengan pidatonya dalam sebuah kuliah "The
principle of physics, as far as i can see, do not speak againts the possibility of
manuevring thing ato by atom". Pada tahun 1960, kata-kata Freyman hanya dianggap
sebagai sebuah khayalan, namun saat ini telah banyak alat yang mengaplikasikan
teknologi nano ini. Pada tahun 1981 ditemukan alat ''Scanning Tunneling
Microscope''. Alat ini merupakan alat pertama yang memiliki kemampuan untuk
melihat benda berukuran nanometer. Lalu pada tahun 1986 ditemukan ''Atomic Force
Microscope'' yang semakin membuat nanoscience berkembang. Dua tahun
kemudian, 1988, peneliti di IBM mengamati emisi foton dari area berukuran
nanometer melalui Scanning Tunneling Microscope yang mana menyebabkan
peristiwa luminiscence dan fluorescence pada skala nanometer. Pada tahun 1989,
IBM berhasil melakukan manipulasi atom untuk pertama kalinya dengan membentuk
logo perusahaannya menggunakan 35 atom xenon. Sementara itu manipulasi atom
pada temperatur kamar dilakukan pertama kali pada tahun 1996. Teknologi nano
pertama kali digunakan pada komputer pada tahun 2001 dalam bentuk sirkuit single
molekul, logic performing integrated circuit dari transistor karbon nanotube.
Karakteristik CMOS
Karakter penting dari CMOS adalah kekebalan desahnya yang tinggi dan
penggunaan daya statis yang rendah. Daya hanya diambil saat transistor dalam
CMOS berpindah diantara kondisi hidup dan mati. Akibatnya, peranti CMOS tidak
menimbulkan bahang sebanyak sirkuit logika lainnya, seperti logika transistortransistor (TTL) atau logika NMOS, yang hanya menggunakan peranti tipe-n tanpa
tipe-p. CMOS juga memungkinkan chip logika dengan kepadatan tinggi dibuat.
Fungsi CMOS
CMOS berfungsi sebagai RAM berukuran kecil untuk menyimpan settingan
BIOS (Basic Input Output System) sehingga settingan boot, tanggal dan waktu
pembacaan seluruh hardware atau input output akan tersimpan dalam konfigurasi
yang benar walaupun tanpa dialiri listrik. Pada dasarnya CMOS difungsikan
menyimpan informasi dasar seperti program konfigurasi, program diagnostic dan
settingan tanggal dan waktu agar tidak hilang sekalipun komputer sudah dimatikan.
Cara Kerja CMOS
Ketika power supply komputer disulut, CMOS menjalankan serangkaian
pemeriksaan untuk memastikan sistem berfungsi dengan benar. Salah satu
pemeriksaan termasuk menghitung pemakaian random access memory (RAM).
Karena delay boot time inilah, sehingga beberapa orang menonaktifkan fitur ini dalam
pengaturan CMOS, memilih untuk quick boot. Jika menginstal RAM yang baru lebih
baik jika fitur ini diaktifkan dulu sampai RAM telah diperiksa dengan baik barulah
dinonaktifkan.
Setelah POST selesai, CMOS memeriksa pengaturan lainnya. Memeriksa
format Hard disk dan konfigurasi Redundant Array of Independent Disk (RAID),
preferensi boot, kehadiran peripheral, dan tweak overclocking. Banyak pengaturan
dapat secara manual diubah konfigurasi CMOS untuk meningkatkan kinerja. Namun,
perubahan ini hanya boleh dilakukan oleh pengguna berpengalaman. Mengubah
pengaturan sembarangan dapat membuat sistem tidak stabil, menyebabkan crash,
atau bahkan mencegah komputer untuk boot.
Konfigurasi CMOS dapat diakses selama tahap POST dari boot up, dengan
menekan tombol tertentu sebelum sistem operasi menginisialisasi. Biasanya
menggunakan kunci Del tetapi Motherboard lain mungkin lain juga yang digunakan.
Ada juga pilihan untuk melindungi pengaturan CMOS dengan meminta password
untuk mengubah pengaturan. Perubahan akan disimpan saat keluar dengan menekan
tombol F10, kemudian komputer reboot untuk menggunakan pengaturan baru.
Kebanyakan motherboard memberikan manual daftar seluruh opsi-opsi yang tersedia
dalam CMOS. Patut dicatat bahwa ini akan bervariasi sesuai dengan desain
motherboard dan produsen BIOS. Dua produsen BIOS yang paling terkenal adalah
Phoenix dan Award, sedangkan perusahaan seperti Dell dan Compaq memproduksi
sendiri chip BIOS.
Komposisi
Prinsip utama dibalik litar CMOS yang menjadikannya dapat digunakan untuk
gerbang logik adalah penggunaan MOSFET type-p dan type-n untuk membuat jalan
menuju keluaran dari sumber tegangan atau dibumikan. Ketika jalan menuju keluaran
dibuat dari sumber tegangan, litar ini disebut pull-up. Di lain pihak, litar dinyatakan
pull-down jika jalan menuju keluaran dibuat dari bumi.
Pembalikan
Pembalik CMOS statis
litar CMOS didesain sedemikian rupa sehingga semua transistor PMOS harus
mempunyai masukan dari sumber tegangan ataupun dari transistor PMOS lainnya.
Sama dengan hal itu, semua transistor NMOS harus mempunyai masukan dari ground
atau transistor NMOS lainnya. Komposisi dari transistor PMOS menimbulkan
resistansi rendah ketika tegangan rendah dikenakan padanya, dan resistansi tinggi
ketika tegangan tinggi dikenakan padanya. Di lain pihak, komposisi dari transistor
NMOS mengakibatkan resistansi tinggi ketika tegangan rendah dikenakan padanya,
dan resistansi rendah ketika tegangan tinggi dikenakan padanya.
Gambar di atas menunjukkan apa yang terjadi jika sebuah masukkan
disambungkan ke transistor PMOS dan transistor NMOS. Ketika tegangan masukan
A rendah, transistor NMOS mempunyai resistansi tinggi sehingga mencegah
tegangan untuk bocor ke ground, sedangkan transistor PMOS mempunyai resistansi
rendah sehingga memungkinkan sumber tegangan untuk memindahkan tegangan
menuju ke keluaran melalui transistor PMOS. Keluaran seharusnya menunjukkan
tegangan tinggi (logika 1).
Di lain pihak, ketika tegangan di masukan A tinggi, transistor PMOS akan
memiliki resistansi tinggi sehingga menghalangi sumber tegangan dari keluaran,
sedangkan transistor NMOS mempunyai resistansi rendah yang memungkinkan
keluaran untuk membuang ke ground. Ini akan menyebabkan keluaran menunjukkan
tegangan rendah (logika 0). Singkatnya, keluaran transistor PMOS dan NMOS selalu
komplementer. Karenanya, keluaran sirkuit CMOS pada dasarnya adalah pembalikan
dari masukan.
Kejodohan
Karakteristik penting dari sirkuit CMOS adalah kejodohan antara transistor
PMOS dan transistor NMOS. Sebuah sirkuit CMOS didesain sehingga selalu ada jalur
dari keluaran ke salah satu sumber tegangan atau ground. Untuk menyelesaikannya,
kombinasi dari semua jalur ke sumber tegangan hapus merupakan komplemen dari
jalur ke ground. Ini dapat diselesaikan dengan mudah dengan menentukan salah satu
adalah NOT lainnya. Logika bekerja berdasarkan hukum De Morgan sehingga
transistor PMOS paralel ekivalen dengan transistor NMOS seri, sedangkan transistor
PMOS seri ekivalen dengan transistor NMOS paralel.
Logika
Gerbang NAND pada logika CMOS
Fungsi logika yang lebih kompleks seperti AND dan OR memerlukan
manipulasi jalur di antara gerbang untuk membuat logika. Ketika sebuah jalur yang
terdiri dari dua transistor seri, lalu semua transistor hapus mempunyai resistansi
rendah untuk membiarkan tegangan melewatinya, menunjukkan sebuah gerbang
AND. Ketika sebuah jalur terdiri dari dua transistor paralel, lalu salah satu transistor
harus mempunyai resistansi rendah untuk membiarkan tegangan melewatinya,
menunjukkan gerbang OR.
Diperlihatkan di atas adalah diagram sirkuit dari gerbang NAND di logika
CMOS. Jika semua masukan A dan B tinggi, dan semua transistor NMOS (separuh
bawah) akan menghantar, dan transistor PMOS (separuh atas) tidak menghantar, dan
sebuah jalur akan terbentuk antara keluaran dan V ss(ground), membuat keluaran
rendah. Jika salah satu masukan A atau B rendah, salah satu transistor NMOS tidak
akan menghantar, sedangkan salah satu transistor NMOS akan menghantar, dan jalur
akan terbentuk antara keluaran dan Vdd (sumber tegangan), membuat keluaran tinggi.
Sebuah keunggulan logika CMOS daripada logika NMOS adalah semua
pensakelaran antara rendah-tinggi dan tinggi-rendah adalah cepat karena transistor
pull-up memiliki resistansi rendah saat dihidupkan, tidak seperti resistor beban di
logika NMOS. Untuk tambahan, sinyal keluaran mengayun penuh di antara catu positif
dan negatif. Sinyal yang kuat dan simetris ini membuat CMOS lebih kebal terhadap
desah.
Konsumsi Daya
Dalam kondisi statis, transistor-transistor keluaran kanal-p (atas) dan kanal-n
(bawah) tidak menghantar secara simultan, jadi hanya ada arus bocoran mengalir
dari terminal positif pencatuan (VDD) ke terminal negatif (VSS). Arus bocoran ini
lumrahnya 0,5 nA per gerbang, yang menghasilkan konsumsi daya sangat kecil, 2,5
nW tiap gerbang (pada 5 V).
Kalua rangkaian CMOS sedang bekerja, bila masukan data atau masukan
lonceng berubah, maka ada tambahan daya yang dikonsumsi untuk mengisi dan
membuang-muatan kapasitansi-kapasitansi (kapasitansi liar pada chip maupun
kapasitansi pada beban). Selain itu ada waktu pendek selama transisi dimana
kedua-dua transistor (yang atas dan yang bawah) sedang menghantar kecil.
Konsumsi daya dinamik ini adalah berbanding lurus dengan frekuensi operasi
rangkaiannya, dengan kapasitas beban, dan dengan kuadratnya tegangan catu.
Sebagaimana ditunjukkan dalam gambar 2 konsumsi daya sebuah gerbang CMOS
melampaui konsumsi gerbang Schottky Daya Rendah, disekitar antara 500kHz dan
2 MHz dari frekuensi keluaran nyatanya.
Pada 100 transisi perderik, konsumsi daya dinamik adalah jauh besar dari
borosan statis; pada sejuta transisi perdetik, konsumsi daya itu melampaui konsumsi
pada LS-TTL. Kalau ditandingkan dengan konsumsi daya peranti yang lebih
kompleks (MSI) dalam berbagai teknologi, akan tampak hasil yang berlain-lainan.
Dalam sembarang rangkaian yang kompleks, hanyalah sebagian kecil saja dari
gerbang-gerbang yang berguling pada frekuensi-lonceng penuh, kebanyakan
gerbang beroperasi dalam laju rata-rata yang banyak lebih rendah, dan karenanya
kurang sekali mengomsumsi daya.
Daya
Logika CMOS memboroskan lebih sedikit daya dibandingkan dengan logika
NMOS karena CMOS hanya memboroskan daya hanya saat pensakelaran ("daya
dinamis"). Pada proses 90 nanometer modern, pensakelaran keluaran memerlukan
waktu 120 pikosekon, dan berulang setiap sepuluh nanosekon. Logika NMOS
memboroskan daya ketika keluaran rendah ("daya statis"), karena terdapat jalur dari
Vdd ke Vss melalui resistor beban dan jaringan tipe-n.
Sirkuit CMOS memboroskan daya dengan mengisi kapasitas liar ketika
pensakelaran. Muatan yang bergerak adalah perkalian antara kapasitas liar dengan
perubahan tegangan. Kalikan dengan frekuensi pensakelaran untuk mendapatkan
arus borosan, dan kalikan dengan tegangan lagi untuk mendapatkan borosan daya
karakteristik peranti CMOS.
P = CV2f.
Sebuah borosan daya yang lain ditemukan pada 1990-an saat kabel pada chip
menjadi lebih panjang dan lebih tipis. Gerbang CMOS pada ujung kabel tersebut
menerima transisi masukan yang lambat. Ditengah-tengah transisi masukan, semua
transistor baik NMOS ataupun PMOS untuk sementara hidup bersamaan, dan arus
mengalir langsung dari Vdd ke Vss. Daya yang digunakan disebut daya "linggis".
Desain yang hati-hati dimana menghindari kawat penggerak yang terlalu panjang
mengurangi borosan ini, dan sekarang daya linggis selalu lebih rendah daripada daya
pensakelaran.
Baik transistor NMOS ataupun PMOS memiliki gerbang–sumber tegangan
tahan. Desain CMOS yang beroperasi pada tegangan catu yang jauh lebih tinggi dari
tegangan tahan (Vdd lebih dari 5 V, dan Vth untuk transistor NMOS dan PMOS adalah
700 mV).
Untuk mempercepat desain, produsen beralih ke bahan gerbang yang memiliki
tegangan tahan yang lebih rendah. Sebuah transistor NMOS modern dengan V th of
200 mV memiliki kebocoran arus pratahan yang signifikan. Desain yang berusaha
mengoptimalkan proses pembuatan untuk borosan daya minimum selama operasi
telah menekan Vthsehingga bocoran arus kira-kira sama dengan daya pensakelaran.
Sebagai akibatnya, peranti tersebut memboroskan daya walaupun tidak terjadi
pensakelaran. Pengurangan bocoran daya menggunakan bahan baru dan desain
sistem sangat dibutuhkan untuk menjaga eksistensi CMOS. Pabrikan memandang
pengenalan dielektrik permitivitas tinggi untuk mengatasi bocoran arus pada gerbang
dengan mengganti silikon dioksida dengan bahan yang mempunyai permitivitas lebih
tinggi.
MOSFET
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah suatu
transistor dari bahan semikonduktor (silikon) dengan tingkat konsentrasi
ketidakmurnian tertentu. Tingkat dari ketidakmurnian ini akan menentukan jenis
transistor tersebut, yaitu transistor MOSFET tipe-N (NMOS) dan transistor MOSFET
tipe-P (PMOS). Bahan silicon digunakan sebagai landasan (substrat) dari penguras
(drain), sumber (source), dan gerbang (gate). Selanjutnya transistor dibuat
sedemikian rupa agar antara substrat dan gerbangnya dibatasi oleh oksida silikon
yang sangat tipis. Oksida ini diendapkan di atas sisi kiri dari kanal, sehingga transistor
MOSFET akan mempunyai kelebihan dibanding dengan transistor BJT (Bipolar
Junction Transistor), yaitu menghasilkan disipasi daya yang rendah.
NMOS
Transistor NMOS terbuat dari substrat dasar tipe p dengan daerah source dan
drain didifusikan tipe n+ dan daerah kanal terbentuk pada 3 permukaan tipe n. NMOS
yang umumnya banyak digunakan adalah NMOS jenis enhancement, dimana pada
jenis ini source NMOS sebagian besar akan dihubungkan dengan –Vss mengingat
struktur dari MOS itu sendiri hampir tidak memungkinkan untuk dihubungkan dengan
+Vdd. Dalam aplikasi gerbang NMOS dapat dikombinasikan dengan resistor, PMOS,
atau dengan NMOS lainnya sesuai dengan karakteristik gerbang yang akan dibuat.
Sebagai contoh sebuah NMOS dan resistor digabungkan menjadi sebuah gerbang
NOT. Negatif MOS adalah MOSFET yang mengalirkan arus penguras sumber
menggunakan saluran dari bahan electron, sehinga arus yang mengalir jika tegangan
gerbang lebih positif dari substrat dan nilai mutlaknya lebih besar dari VT (Voltage
Treshold).
PMOS
Transistor PMOS terbuat dari substrat dasar tipe-n dengan daerah source dan
drain didifusikan tipe p+ dan deerah kanal terbentuk pada permukaan tipe p. Positif
MOS adalah MOSFET yang mengalirkan arus penguras sumber melalui saluran
positif berupa hole, dimana arus akan mengalir jika tegangan gerbang lebih negative
terhadap substrat dan nilai mutlaknya lebih besar dari VT. PMOS yang umumnya
banyak digunakan adalah PMOS jenis enhancement, dimana pada jenis ini source
PMOS sebagian besar akan 4 dihubungkan dengan +Vdd mengingat struktur dari
MOS itu sendiri hampir tidak memungkinkan untuk dihubungkan dengan -Vss. Dalam
aplikasi gerbang PMOS dapat dikombinasikan dengan resistor, NMOS, atau dengan
PMOS lainnya sesuai dengan karakteristik gerbang yang akan dibuat. Sebagai contoh
sebuah PMOS dan resistor digabungkan menjadi sebuah gerbang NOT.
Sumber:
-
http://mbahasilmu.blogspot.co.id/2016/03/pengertian-dan-fungsi-cmos.html
https://id.wikipedia.org/wiki/Nano_CMOS
-
http://rifza-ramadhan.blogspot.co.id/2013/11/pengertian-fungsi-dan-carakerja_5511.html
http://www.lostwindowspassword.com/images/article/windows-tips/cmos.jpg
http://ria-warnawarni.blogspot.co.id/2011/09/makalah-cmos.html
http://sangbadrun.blogspot.co.id/2015/06/pengertian-fungsi-dan-cara-kerjacmos.html
http://datasheetbook-ic.blogspot.co.id/2012/03/konsumsi-daya.html#more
https://id.wikipedia.org/wiki/CMOS
http://maulana.lecture.ub.ac.id/files/2014/03/Teori-Dasar-MOSFET-MetalOxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor.pdf
https://i.stack.imgur.com/baTkm.png