English is below …

Giới thiệu tổng quan

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) – tạm dịch là bán dẫn oxit kim loại bổ sung – là một công nghệ chế tạo mạch tích hợp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong vi xử lý, bộ nhớ, cảm biến hình ảnh, và thiết bị logic kỹ thuật số.

Công nghệ CMOS ra đời vào thập niên 1960 và nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn vàng trong ngành bán dẫn nhờ mức tiêu thụ điện năng cực thấp, độ tin cậy cao, và khả năng tích hợp hàng tỷ transistor trong một chip duy nhất.

Ngày nay, gần như mọi thiết bị điện tử — từ điện thoại, máy tính, camera cho đến cảm biến công nghiệp … đều sử dụng CMOS như một nền tảng lõi trong hệ thống đo lường và xử lý tín hiệu.

Nguyên lý hoạt động cơ bản

CMOS được hình thành dựa trên sự kết hợp của hai loại transistor MOSFET:

  • PMOS (P-type MOSFET): dẫn điện khi tín hiệu điều khiển ở mức thấp (0V).
  • NMOS (N-type MOSFET): dẫn điện khi tín hiệu điều khiển ở mức cao (Vcc).

Khi kết hợp hai loại này theo cấu trúc “bổ sung” (complementary), ta có thể tạo ra các cổng logic hoạt động chỉ khi có sự chuyển đổi tín hiệu, gần như không tiêu thụ dòng điện tĩnh.

Ví dụ, trong một cổng logic NOT, khi đầu vào là mức cao, NMOS bật, PMOS tắt → đầu ra nối đất (0V). Khi đầu vào là mức thấp, NMOS tắt, PMOS bật → đầu ra nối nguồn (Vcc).
Điều này giúp mạch CMOS tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với công nghệ TTL hoặc NMOS trước đây.

Cấu trúc vật lý

Một chip CMOS được chế tạo trên phiến silicon tinh khiết (silicon wafer), trong đó:

  • Các vùng P và N được pha tạp chất (doping) để tạo ra kênh dẫn điện.
  • Lớp oxit silic (SiO₂) mỏng nằm giữa cực cổng (Gate) và kênh dẫn, hoạt động như chất cách điện.
  • Lớp kim loại (Metal layer) được phủ lên trên để tạo các đường dẫn tín hiệu giữa các transistor.

Nhờ kỹ thuật photolithography – khắc vi mạch bằng ánh sáng – người ta có thể tạo ra hàng tỷ transistor CMOS trên một bề mặt chỉ vài cm².
Ngày nay, các hãng sản xuất bán dẫn như TSMC, Samsung, Intel đã đạt tới công nghệ 3nm – 5nm, nghĩa là chiều dài kênh dẫn chỉ vài nguyên tử.

Ưu điểm nổi bật của công nghệ CMOS

1. Tiêu thụ năng lượng thấp

Đây là ưu điểm cốt lõi. Trong trạng thái ổn định (không chuyển mạch), hầu như không có dòng điện chạy qua giữa Vcc và GND.
Điều này giúp thiết bị hoạt động lâu hơn, tỏa nhiệt ít hơn và phù hợp cho thiết bị di động hoặc cảm biến công nghiệp tiết kiệm điện.

2. Tích hợp mật độ cao

CMOS cho phép đóng gói hàng tỷ transistor trên một chip nhỏ, tạo ra các bộ vi xử lý mạnh mẽ như Apple M3, Intel Core Ultra hoặc các cảm biến hình ảnh độ phân giải cao.

3. Độ nhiễu thấp và độ tin cậy cao

Nhờ khả năng chống nhiễu tự nhiên và đặc tính điện tĩnh ổn định, CMOS duy trì hiệu suất cao ngay cả trong môi trường có rung, nhiệt, hoặc nhiễu điện từ (EMI) — rất quan trọng trong công nghiệp tự động hóa.

4. Khả năng sản xuất hàng loạt với chi phí thấp

Sau khi quy trình chế tạo được thiết lập, CMOS có thể sản xuất hàng loạt với chi phí trên mỗi transistor cực thấp — đây là yếu tố thúc đẩy sự phát triển của ngành điện tử tiêu dùng.

Ứng dụng trong cảm biến hình ảnh và đo lường

Một trong những ứng dụng ấn tượng nhất của CMOS là trong cảm biến hình ảnh (CMOS Image Sensor).
Trong các cảm biến như Keyence IL Series , ZP-L của Omron … CMOS được dùng để:

  • Nhận ánh sáng phản xạ từ tia laser.
  • Chuyển đổi cường độ sáng thành tín hiệu điện.
  • Tính toán vị trí điểm phản xạ → đo khoảng cách chính xác.

So với công nghệ CCD (Charge-Coupled Device), cảm biến CMOS có tốc độ xử lý cao hơn, tiêu thụ điện thấp hơn và tích hợp dễ dàng với vi xử lý nội.
Điều này giúp cảm biến đo ổn định ngay cả khi vật thể có màu sắc hoặc độ phản xạ khác nhau.

Ứng dụng trong vi xử lý và mạch logic

Công nghệ CMOS cũng là nền tảng của các bộ xử lý CPU, GPU, FPGA, và SoC.
Các transistor CMOS trong chip hoạt động như các công tắc logic – bật tắt hàng tỷ lần mỗi giây – để thực hiện phép tính nhị phân.

Ví dụ:

  • CPU của điện thoại (Snapdragon, Apple A-series) dùng hàng chục tỷ transistor CMOS.
  • FPGA sử dụng cấu trúc CMOS lập trình lại để mô phỏng các hệ thống điều khiển phức tạp.
  • Trong PLC công nghiệp (Mitsubishi, Omron, IDEC…), CMOS là phần lõi của CPU và bộ nhớ Flash.

Hạn chế và thách thức

Dù CMOS chiếm ưu thế gần như tuyệt đối, nó vẫn có một số giới hạn kỹ thuật:

Hiện tượng rò dòng (Leakage Current)

Khi kích thước transistor giảm xuống vài nanomet, lớp cách điện SiO₂ trở nên quá mỏng, khiến dòng điện rò qua Gate tăng — gây tiêu hao điện năng dù không hoạt động.

Hiệu ứng nhiễu xuyên kênh (Crosstalk)

Khoảng cách giữa các đường dẫn quá nhỏ dẫn đến hiện tượng ảnh hưởng lẫn nhau giữa các tín hiệu — có thể gây lỗi logic trong vi mạch tốc độ cao.

Nhiệt độ và suy hao vật liệu

Các transistor kích thước nanomet dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt, dẫn đến biến đổi tham số điện và giảm tuổi thọ chip.

Để khắc phục, các nhà sản xuất đang nghiên cứu FinFET (Fin Field-Effect Transistor) – biến thể 3D của CMOS – và GAAFET (Gate-All-Around) để giảm dòng rò và tăng mật độ transistor.

Tương lai của CMOS

Dù đã tồn tại hơn 50 năm, công nghệ CMOS vẫn tiếp tục tiến hóa mạnh mẽ.
Trong thập kỷ tới, xu hướng phát triển sẽ tập trung vào:

  • Cảm biến thông minh (Smart CMOS Sensors) tích hợp AI và xử lý hình ảnh trực tiếp trên chip.
  • CMOS kết hợp vật liệu mới như graphene hoặc GaN để nâng cao tốc độ và giảm nhiễu.
  • CMOS năng lượng siêu thấp cho thiết bị IoT, y tế, và công nghiệp không dây.
  • Cảm biến CMOS 3D stacked – nhiều lớp xử lý chồng lên nhau – giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu mà vẫn tiết kiệm điện.

Tổng Kết

Công nghệ CMOS không chỉ là nền tảng của các vi mạch logic, mà còn là trái tim của kỷ nguyên công nghiệp số.
Từ chiếc smartphone trong tay bạn đến cảm biến đo khoảng cách trong nhà máy, từ chip AI đến xe tự hành – tất cả đều hoạt động nhờ CMOS.

Với khả năng tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy cao và tiềm năng mở rộng vô hạn, CMOS sẽ tiếp tục đóng vai trò trung tâm trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nơi cảm biến, AI, và tự động hóa kết hợp để kiến tạo thế giới thông minh hơn.

Content in English


Overview Introduction

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) is a semiconductor technology used to manufacture integrated circuits. It is one of the most widely used fabrication technologies today, found in microprocessors, memory chips, image sensors, and digital logic devices.

Developed in the 1960s, CMOS quickly became the gold standard of the semiconductor industry due to its extremely low power consumption, high reliability, and ability to integrate billions of transistors on a single chip.

Today, nearly all modern electronic devices — from smartphones, computers, and cameras to industrial sensors — rely on CMOS as the core platform for signal measurement and processing.

Basic Operating Principle

CMOS technology is built on the combination of two types of MOSFET transistors:

  • PMOS (P-type MOSFET): Conducts when the control signal is LOW (0V).
  • NMOS (N-type MOSFET): Conducts when the control signal is HIGH (Vcc).

When arranged in complementary pairs, these transistors form logic gates that only consume energy during signal switching, and draw almost no static current when in a steady state.

For example, in a NOT gate:

  • When the input is HIGH, NMOS turns ON and PMOS turns OFF → Output is pulled to GND (0V).
  • When the input is LOW, NMOS turns OFF and PMOS turns ON → Output is pulled to Vcc.

This makes CMOS circuits far more energy-efficient than previous technologies like TTL or NMOS logic.

Physical Structure

A CMOS chip is built on a pure silicon wafer where:

  • P-type and N-type regions are doped to form conductive channels.
  • A thin silicon dioxide (SiO₂) layer insulates the transistor gate from the channel.
  • Metal interconnect layers create conductive paths between transistors.

Using photolithography, billions of CMOS transistors can be patterned on just a few square centimeters.
Today, manufacturers like TSMC, Samsung, and Intel have reached 3–5 nm fabrication nodes — shrinking transistor channel lengths to just a few atoms.

Key Advantages of CMOS

1. Extremely Low Power Consumption

CMOS draws almost no current when idle, helping reduce heat and extend battery life — especially valuable for mobile and industrial sensor devices.

2. High Integration Density

CMOS allows billions of transistors on a single chip, enabling powerful processors such as Apple M3, Intel Core Ultra, and high-resolution image sensors.

3. Low Noise and High Reliability

CMOS devices maintain stable performance even under vibration, heat, and electromagnetic interference (EMI), which is crucial in industrial automation.

4. Low Manufacturing Cost

Once the production process is established, the cost per transistor becomes extremely low, fueling the growth of consumer and industrial electronics.

Applications in Image and Measurement Sensors

One of the most impactful uses of CMOS is in CMOS Image Sensors.

In displacement sensors like Keyence IL Series or Omron ZP-L:

  • Reflected laser light is captured by the CMOS sensor.
  • Light intensity is converted into electrical signals.
  • The reflected spot position is calculated → producing precise distance measurements.

Compared to CCD sensors, CMOS sensors offer higher processing speed, lower power consumption, and better integration with on-chip processors — providing stable measurement even on surfaces with varying reflectivity.

Applications in Microprocessors and Logic Systems

CMOS is also the foundation of:

  • CPUs, GPUs, and SoCs
  • FPGA programmable logic devices
  • Memory storage (SRAM, Flash)

Billions of CMOS transistors switch on and off every second to execute digital logic calculations.

Examples:

  • Smartphone processors (Snapdragon, Apple A-Series) contain tens of billions of CMOS transistors.
  • FPGAs use CMOS-based reconfigurable logic.
  • Industrial PLCs (Mitsubishi, Omron, IDEC, etc.) use CMOS at the core of their CPU and memory architectures.

Limitations and Challenges

Despite its dominance, CMOS faces several technical challenges:

Leakage Current

As transistors shrink to nanometer scales, oxide layers become thinner, increasing leakage even when idle.

Crosstalk Noise

Narrow spacing between wires causes signal interference in high-speed circuits.

Heat and Material Reliability

Smaller transistors are more sensitive to thermal effects and may degrade faster.

To address these, the industry is moving toward:

  • FinFET (3D transistor structure)
  • GAAFET (Gate-All-Around technology)

Both aim to reduce leakage and increase transistor density.

Future of CMOS

CMOS continues to evolve and remains at the center of semiconductor innovation.

Future trends include:

  • Smart CMOS Sensors with built-in AI processing
  • CMOS combined with new materials (graphene, GaN)
  • Ultra-low-power CMOS for IoT and medical devices
  • 3D stacked CMOS architectures for high-speed data transfer

Conclusion

CMOS technology is not just the foundation of digital circuits — it is the heart of the modern electronics era.
From smartphones to industrial laser displacement sensors, from AI chips to autonomous vehicles — everything relies on CMOS.

With its efficiency, reliability, and scalability, CMOS will remain a core driving force in the Industry 4.0 revolution, where sensing, AI, and automation work together to build a smarter world.