作為一個微電子專業的IC learner，這個學期也有一門課：《微電子器件》，今天我就來聊聊基本的器件：CMOS器件及其電路。在后面會聊聊鎖存器和觸發器。

今天的主要內容如下所示：

·MOS晶體管結構與工作原理簡述

·CMOS單元電路與版圖

·CMOS門電路

·CMOS的功耗表示

老實說，CMOS比較偏微電子器件，微電子器件還真難...這里我就說一些做數字設計或許要了解的東西吧（以后要是有必要，會補充）。

1、MOS晶體管結構與工作原理簡述

我們或多或少知道，晶體管在數字電路中的主要作用就是一個電子開關，通過電壓或者電流，控制這個“開關”開還是關。晶體管大概有兩種分類：一種是雙極性晶體管（BJT，bipolar ?junction ?transistor），另外一種是金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET或者MOS，metal-oxide-semiconductor ?field effect transistor）。我們這里主要來聊聊MOS了，那個BJT在現在數字IC設計中已經不是主流工藝了。

①MOS晶體管分為PMOS和NMOS，是哪一類MOS取決于襯底和摻雜濃度。至于是怎么形成的，這太復雜了，簡單的三言兩語說不清楚，這里干脆就不說了，我們直接來看他們的截面圖和簡單地講解它們的工作原理好了（以下均以NMOS為例）。

NMOS晶體管的橫截面結構如下所示：

最底層是硅晶元圓襯底（substrate）(Body Si那里),最頂上是導電的柵極（gate），中間是二氧化硅構成的絕緣層。在過去柵極是由金屬構成的，因此叫做金屬-氧化物-半導體，現在的柵極使用的是多晶硅（poly）。MOS結構中，金屬(多晶硅)與半導體襯底之間的二氧化硅會形成一個電容。

好吧，上面那一段看不懂也沒關系，也不重要，需要你記住的是，上述的NMOS晶體管中，襯底是P型的，襯底上有兩個n型的摻雜區域分別稱為源極（Source）和漏極（Drain）（其實你把左邊定義為漏而右邊定義為源也沒有問題，因為這個時候這個器件是對稱的，在連接電源和地之后，S和D才真正確定）,中間最上面的稱為柵極（Gate），這就是NMOS的三個電極了（實際上的MOS是一個4端器件，它的襯底也是一個端）。下面來說一下他們怎么工作。

前面我們說了，晶體管的作用就是大致就是一個開關，在電流或者電壓的控制下進行開和關，對于NMOS晶體管，我們現在給它加上電壓，讓它開始工作：

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如上左圖所示，加上電壓后，所謂的源極，就相當于電子的源頭；所謂的漏極，就相當于漏出電子的開口；而中間的柵極，就像控制開關一樣：一方面通過控制在柵極施加的高電平電壓，使源漏之間出現溝道，電子通過溝道從源極流向漏極，電流的方向也就是從漏到源了，從而進行導電，也就是“開關”打開的的時候（由于是形成的N溝道，也就是電子導電，因此成為N型CMOS）。另一方面再通過控制在柵極施加低電平電壓，讓溝道關斷，因此就源漏之間就關斷了，也就是“開關”關斷的時候。上面就是NMOS的結構和工作流程了。（PMOS的工作流程恰好相反：通過控制在柵極施加的低電平電壓，進行打開，而通過控制在柵極施加高電平電壓，讓溝道關斷。）

注意：柵極的電壓達到一定數值時，溝道才會形成，溝道形成時的電壓稱為閾值電壓（Vth）。

②下面我們來看一下I-V特性曲線（注意這兩個稱呼，一個是轉移特性曲線，一個是輸出特性曲線）：

在前面我們知道，對于NMOS，源極(S)是接地的，漏極（D）是接數字電源的，在工作的時候，一般Vds是不變的，然后根據柵極（G）上的電壓決定溝道是否導通。工作的時候，Vg的值（也就是輸入信號的電壓值）是一個定值，要么高電平（可能有波動），要么是低電平，從這里我們也知道NMOS工作的時候，是有電流從電源（VDD）流到地（GND）的（也就是從D流到S的），在電源電壓不變的時候，這個電流隨著柵極上的電壓增大而增大。

③接著我們看看MOS的內部自個形成的電容（寄生電容），如下圖所示：

主要分為：

（1）柵和溝道之間的氧化層電容C1；　

（2）襯底和溝道之間的耗盡層電容C2；　

（3）多晶硅柵與源和漏的交疊而產生的電容C3?和C4；　

（4）源/漏區與襯底之間的結電容C5與C6。

好吧，其實這些個MOS這個電容我們看看就好了，畢竟我們不是做器件的。

2、CMOS單元電路與版圖

在現在工藝中，我們主要使用的是成為CMOS（互補型半導體，Complementary MOS）的工藝，這種工藝主要就是把PMOS和NMOS這兩類晶體管構成一個單元，稱為CMOS單元或者反相器單元，其結構把PMOS和NMOS同時集成在一個晶元上然后柵極相連，漏極相連，下面是它的結構圖（關于電路符號和功能將在后面講）：

在上圖中，左邊是NMOS，右邊是PMOS。A是共連柵極輸入，Y是共連漏極輸出，VDD連接PMOS的源極，GND連接GND。

下面電路符號圖了，上面的那個CMOS反相器對于的電路符號圖如下所示：

現在我們就來分析一下這個CMOS反相器的工作原理來說明這個為什么CMOS工藝是主流吧：

A當輸入信號A=1時，PMOS關斷，NMOS打開，輸出信號Y的電壓相當于GND的電壓，也就是Y=0；在這個過程中，從VDD到GND這一個供電回路都沒有導通，因此理論不存在電流從VDD流到GND，因此功耗為0.

B當輸入信號A=0時，PMOS打開，而NMOS關閉，輸出信號Y=VDD=1，但是從VDD到GND這一個供電回路也沒有導通，因此理論上也不存在電流從VDD流到GND，因此功耗也為0。

C因此可以得出，理論上反相器進行傳輸信號時，沒有功耗（好吧，我們應該這樣說：功耗極其地低），這就是為什么使用CMOS的工藝的原因。

下面我們來看一下CMOS單元的版圖：

左邊是CMOS的電路符號，右邊是版圖（這個版圖先湊合著看），下面來說一下這個版圖吧：

首先是從下往上看，金屬（藍色）連接到數字地（Vss）上面；白色背景紅色虛線邊框的P阱區域是為說明，下面的綠色摻雜區域形成的是NMOS，上面綠色摻雜區域形成的是PMOS；

然后 ??綠色的摻雜區域 ?分布在 ?紅色的多晶硅附近，然后多晶硅連在一起（也就是把PMOS和NMOS的柵極連在一起），然后通過金屬引出（那個X表示通孔）為輸入Vi。

然后下面的NMOS的源極通過通孔跟金屬連在一起（綠色跟藍色通過X連在一起）；NMOS和PMOS的漏極通過通孔連接到同一塊金屬上面然后當做輸出。

PMOS的源極通過通孔連接到金屬然后連接到了數字電源上。

更加抽象（好看一點）的圖如下所示：

版圖的基本知識就到這好了，更詳細的知識還是查看更專業的書籍吧。

3、CMOS門電路

①CMOS非門：上面的一個CMOS單元的功能就是非門的功能了，因此CMOS非門也就是這個CMOS的單元，也稱為反相器。其電路結構就是反相器的電路結構。

②（二輸入）CMOS與非門（NAND）：

直接上圖吧，CMOS與非門的電路符號結構如下所示：

（PMOS的電路符號柵極處本來應該有個小圈圈，表示低電平有效的）

③（二輸入）CMOS或非門(NOR)的電路符號和工作原理如下所示：

（PMOS的電路符號柵極處本來應該有個小圈圈，表示低電平有效的）

數字邏輯電路都可以由上面的三種電路化簡構成，也就是說一個電路可以由NAND或者NOR電路構成，我們來看看他們的特點來推導數字CMOS電路的特點。

容易知道（反正我們就當做結論好了）：

反相邏輯門的通用結構如下所示：

此外我們也注意到，使用到與功能的時候，NMOS網絡是串聯的；使用或功能時，NMOS網絡是并聯的。因此可以這么記憶：要NOMS都一起，才能一起（與），只要NMOS其中一個就可以（或），與還是或，可以根據NMOS的串并結構判斷。

然后設計多少個輸入的NXXX門，就把多少個NMOS串/并聯起來，然后PMOS就是并/串就可以了。

4、CMOS的功耗表示

功耗是單位時間內消耗的能量，在數字系統中的功耗主要包括靜態功耗和動態功耗，我們將從CMOS電路角度聊聊靜態功耗和動態功耗。

CMOS的靜態功耗：當CMOS不翻轉/不工作時的功耗。在CMOS都不工作時，也就是晶體管都處于截止狀態的時候，從VDD到GND并不是完全沒有電流流過的，還是有些微電流從電源流到地，這個靜態電流Idd稱為電源和地之間的漏電流，跟器件有關（至于漏電流是怎么引起的，這里就不再闡述了）。初中的時候，我們就學過P=UI，因此靜態功耗就可以這樣表示?:

CMOS的動態功耗是信號在0和1變化之間，電容充放電所消耗的功耗。我們知道，不僅僅CMOS器件有寄生電容，導線間也有電容。將電容C充電到電壓Vdd所需要的能量CVdd^2。如果電容每秒變換f次（也就是電容的切換頻率為f，在一秒內，電容充電f/2次，放電f/2次），由于放電不需要從電源那里獲取功耗，因此動態功耗就可以這樣表示：

PS：上面主要是列舉了一些主要的功耗，比如動態功耗中除了翻轉時電容消耗功耗外，還有在柵極信號翻轉的時候PMOS和NMOS同時導通引起的短路功耗。

這里不一一陳述，主要是考慮上面的那兩種功耗。也許后面記載低功耗設計的時候會詳細說明一下。