Uno dei principali vantaggi della logica CMOS è di avere una potenza statica dissipata idealmente nulla: questa caratteristica è dovuta alla complementarità del pull-down (n-Mos) e del pull-up (p-Mos); ossia, quando è acceso il pull-up, è spento il pull-down, e viceversa. In realtà ci sono piccole correnti di perdita (per caricare/scaricare le capacità parassite, la corrente di cortocircuito durante la commutazione di stato, per perdite alle giunzioni e per le correnti di sottosoglia), trascurabili se il numero dei MOS è relativamente piccolo, ma che può diventare particolarmente sentito, in particolare le correnti di sottosoglia sono responsabili di circa la metà della dissipazione di potenza nelle attuali realizzazioni VLSI.

Dimensionando opportunamente i due MOS (simmetrici dal punto di vista funzionale) è possibile avere una curva caratteristica simmetrica, soluzione ottima per avere il margine di immunità ai disturbi il più elevato possibile. Il tratto di caratteristica ad alto guadagno è indipendente dal rapporto tra i fattori di forma dei due MOS (ratioless).

Gli elementi base per costruire qualsiasi circuito digitale sono:

• NAND: realizzato con pull-up costituito da due p-Mos in parallelo e pull-down da due n-Mos in serie
• NOR: realizzato con pull-up costituito da due p-Mos in serie e pull-down da due n-Mos in parallelo

Ogni funzione logica binaria può essere espressa in termini di questi due operatori.

Originariamente i CMOS hanno una struttura del tipo FSI (front side illumination), dove lo strato di silicio (fotosensori) è posto in fondo, mentre con la disposizione BSI (backside illumination) dato che lo strato di silicio è posto sopra gli strati metallici (servono al fotodiodo per convertire i fotoni della luce in elettroni, quindi in segnali elettrici), il che permette una maggiore sensibilità alla luce e per via della disposizione anche una maggiore fedeltà al colore (minori contaminazioni dei pixel adiacenti) e possibilità di adoperare ottiche più compatte.^[2]

Trascurando la capacità parassita ${\displaystyle C_{l}}$ e consideriamo un segnale di ingresso che comprenda un fronte di salita e uno di discesa, tenendo presente il ritardo di propagazione (${\displaystyle t_{r}}$ e ${\displaystyle t_{f}}$ sono non nulli). Dall'istante ${\displaystyle t_{a}}$ a ${\displaystyle t_{c}}$ e da ${\displaystyle t_{d}}$ a ${\displaystyle t_{f}}$ la corrente non è nulla in quanto sia il PU che il PD sono accesi. Quindi la potenza avrà un valore non nullo in quei punti; ricordiamo che la potenza dinamica è:

${\displaystyle P_{d}=V_{dd}\,I_{d}\ }$

Quindi calcoliamo la potenza attiva:

${\displaystyle \langle P_{d}\rangle ={\frac {1}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{b}}^{t_{c}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{d}}^{t_{e}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{e}}^{t_{f}}P_{d}\operatorname {d} t\right]=}$

${\displaystyle ={\frac {V_{dd}}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}I_{dn,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{b}}^{t_{c}}I_{dp,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{d}}^{t_{e}}I_{dp,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{e}}^{t_{f}}I_{dn,sat}(t)\operatorname {d} t\right]}$

Facendo l'ipotesi di MOS complementari

${\displaystyle \beta _{n}=\beta _{p}\ }$

${\displaystyle V_{tn}=|V_{tp}|=V_{t}\ }$

Allora

${\displaystyle I_{dn,sat}=I_{dp,sat}\ }$

Si ottiene

${\displaystyle \langle P_{d}\rangle ={\frac {4V_{dd}}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}{\frac {\beta _{n}}{2}}(V_{gsn}(t)-V_{tn})^{2}\operatorname {d} t\right]}$

Possiamo conoscere gli estremi di integrazione tramite l'equazione

${\displaystyle t:t_{r}=V_{i}(t):V_{dd}\ }$

${\displaystyle t=t_{r}*{\frac {V_{i}(t)}{V_{dd}}}\ }$

${\displaystyle V_{i}(t)=V_{gsn}(t)\ }$

Sostituendo e risolvendo si ha:

${\displaystyle \langle P_{d}\rangle =\beta *t_{r}*{\frac {V_{dd}^{3}}{12T}}\left[1-{\frac {2V_{tn}}{V_{dd}}}\right]}$

Facendo l'ipotesi ${\displaystyle V_{dd}>>V_{tn}}$

${\displaystyle \langle P_{d}\rangle =\beta *t_{r}*{\frac {V_{dd}^{3}}{12T}}}$

Nota: Dipende:

• linearmente dalla durata del fronte di salita (o di discesa)
• dal cubo della tensione di alimentazione
• inversamente dal Periodo (cioè, aumentando la frequenza di lavoro, aumenta la potenza dissipata)

Questa volta poniamo ${\displaystyle t_{r}}$ e ${\displaystyle t_{f}}$ nulli in modo che la ${\displaystyle P_{cc}=0}$ e consideriamo il condensatore parassita. Adesso la potenza dissipata sarà quella utilizzata dai MOS per caricare e scaricare il condensatore.

Possiamo identificare 3 parametri:

${\displaystyle P_{c}}$ = potenza dissipata dal condensatore (in un periodo si sarà caricato e scaricato, quindi avrà assorbito e ceduto la stessa potenza; questo porta ad avere una potenza media dissipata nulla

${\displaystyle P_{n}=I_{dn}(t)*V_{dsn}(t)}$ - Potenza dissipata dal N-MOS per scaricare il condensatore

${\displaystyle P_{p}=I_{dp}(t)*V_{sdn}(t)}$ - Potenza dissipata dal P-MOS per caricare il condensatore

Quindi la potenza media dinamica è

${\displaystyle \langle P_{d}\rangle =P_{n}+P_{p}+P_{c}=P_{n}+P_{p}\ }$