MOS IC – Układ scalony z tranzystorami MOS
MOS IC (ang. MOS Integrated Circuit), czyli układ scalony oparty na tranzystorach MOSFET, to fundament nowoczesnej elektroniki cyfrowej i analogowej. Technologia MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) zrewolucjonizowała sposób projektowania układów logicznych, pamięciowych oraz sygnałowych dzięki swojej skalowalności, energooszczędności i wysokiej integracji. W tej chwili niemal każdy mikroprocesor, mikrokontroler czy układ FPGA powstaje w technologii CMOS, czyli komplementarnej wersji MOS, ale wszystko zaczęło się właśnie od pojedynczych tranzystorów MOS. Dziś przybliżę Ci, jak działa taki układ, gdzie się go stosuje i dlaczego MOS IC stał się nieodłącznym elementem współczesnych systemów elektronicznych.
Budowa i zasada działania
W sercu każdego MOS IC znajduje się tranzystor MOSFET, który działa jak sterowany przełącznik napięciowy. Zbudowany jest z trzech elektrod: bramki (gate), drenu (drain) i źródła (source), oddzielonych warstwą tlenku krzemu (SiO₂). To właśnie ta cienka warstwa izolatora daje przewagę technologii MOS – pozwala na minimalne zużycie prądu w stanie spoczynku. Układy MOS mogą zawierać setki milionów takich tranzystorów, umieszczonych na jednym kawałku krzemu (chipie).
Zastosowanie w układach cyfrowych
Technologia MOS stała się podstawą projektowania układów cyfrowych. Bramki logiczne (AND, OR, NOT), multipleksery, rejestry, liczniki czy całe jednostki ALU w procesorach – wszystkie opierają się na tranzystorach MOS. Dzięki niskiemu poborowi mocy możliwe było skonstruowanie bardzo złożonych struktur takich jak mikroprocesory, SoC (System-on-Chip) czy pamięci RAM i ROM. W systemach mobilnych i urządzeniach IoT, gdzie kluczowe jest energooszczędne działanie, MOS IC są nie do zastąpienia.
Układy analogowe i mieszane
Choć MOS kojarzy się głównie z cyfrowym przetwarzaniem, układy analogowe również korzystają z tej technologii. Wzmacniacze operacyjne, konwertery ADC/DAC, czujniki pojemnościowe i układy RF coraz częściej wykorzystują strukturę MOS do realizacji analogowych funkcji. W układach mixed-signal – gdzie łączy się przetwarzanie analogowe i cyfrowe – dominują rozwiązania typu CMOS, które pozwalają projektować kompaktowe i tanie w produkcji układy do masowego użytku.
Zalety technologii MOS
- Niskie zużycie energii spoczynkowej
- Wysoka skalowalność i integracja (możliwość tworzenia nanometrówych struktur)
- Odporność na zakłócenia dzięki izolacji bramki
- Niska cena jednostkowa produkcji przy dużych wolumenach
- Możliwość integracji funkcji cyfrowych, analogowych i pamięciowych
Przykłady zastosowań MOS IC
- Procesory i mikrokontrolery (ARM, AVR, RISC-V)
- Pamięci DRAM, SRAM, Flash
- Przetworniki A/C i C/A w układach audio
- Układy logiki programowalnej (FPGA, CPLD)
- Sensory dotykowe i pojemnościowe
- Systemy zarządzania energią w urządzeniach mobilnych
MOS a inne technologie
Przed erą MOS dominowały układy bipolarne, znane z większej mocy, ale też większego zużycia energii i trudniejszej integracji. MOS IC pozwoliły nie tylko zmniejszyć rozmiar i pobór mocy, ale też przyspieszyć rozwój miniaturyzacji. Wspomniane wcześniej układy CMOS to odmiana, w której wykorzystywane są zarówno tranzystory typu nMOS, jak i pMOS, co pozwala jeszcze bardziej zminimalizować straty mocy. Ciekawym rozwinięciem są także układy FINFET – trójwymiarowe struktury, które znajdują się już w procesorach wykonanych w technologii 7 nm i poniżej.
Choć MOS IC kojarzone są z układami cyfrowymi, to warto dodać, że ich rozwój wpłynął również na systemy audio, transmisji danych i sterowania silnikami – na przykład w przetwornikach częstotliwości dla silników indukcyjnych, gdzie układy sterowania bazują na MOSFET-ach. Wczoraj omawialiśmy częstotliwości dźwiękowe i ich zastosowanie w torze audio – właśnie tam, w stopniach wzmacniających i filtrujących, MOS IC też znajdują swoje miejsce. A jutro przejdziemy do tematu TTL – starszej technologii logicznej, z którą MOS długo konkurował, zanim zdominował rynek dzięki swoim zaletom.
