CMOS耗盡模式技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，第二部分

眾所周知，當(dāng) V GS 在增強(qiáng)模式下為正時(shí)，N 型耗盡型 MOSFET 的行為類似于 N 型增強(qiáng)型 MOSFET;兩者之間的唯一區(qū)別是 V GS = 0V時(shí)的漏電流 I DSS量。增強(qiáng)型 MOSFET 在柵極未通電時(shí)不應(yīng)泄漏任何電流，因此當(dāng) V GS = 0V 時(shí) I DSS必須 為 0，但當(dāng) V GS = 0V 時(shí)允許 I DSS電流流過(guò)耗盡型 MOSFET 的傳導(dǎo)通道 。

總之，N型MOSFET的增強(qiáng)行為發(fā)生在V GS 為正時(shí)，而P型MOSFET的增強(qiáng)行為發(fā)生在V GS 為負(fù)時(shí)。但是我們從未研究過(guò)當(dāng) V GS為負(fù)時(shí) N 型 MOSFET 的耗盡行為或當(dāng) V GS為正 時(shí) P 型 MOSFET 的耗盡行為 !

當(dāng)然，我們永遠(yuǎn)不需要研究 N 型增強(qiáng)型 MOSFET 的耗盡行為，因?yàn)樗?V GS 為負(fù)時(shí)不會(huì)泄漏電流，但我們不能忽視 N 型耗盡型 MOSFET 的耗盡行為，因?yàn)楹谋M型 MOSFET 的開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生正稍后將解釋的邏輯操作。同樣，我們永遠(yuǎn)不需要研究 P 型增強(qiáng)型 MOSFET 的耗盡行為，因?yàn)樗?V GS 為正時(shí)不會(huì)泄漏電流，但我們不能忽視 P 型耗盡型 MOSFET 的耗盡行為。

對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET ，當(dāng)輸入為0V時(shí)，V GS 等于-V;大電流將流過(guò) R L ，使輸出電壓接近 +V。當(dāng)輸入為+V時(shí)，V GS 等于0V;沒(méi)有電流流過(guò) R L ，因此輸出電壓為 0V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相反的。

但是對(duì)于耗盡型MOSFET ，當(dāng)輸入為0V時(shí)，V GS 等于0V;I DSS的大電流 將流過(guò)R L，使輸出電壓接近0V。當(dāng)輸入為+V時(shí)，V GS 等于+V，沒(méi)有電流流過(guò)R L，輸出電壓為+V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相同的。

兩個(gè)使用 N 型 MOSFET 的開(kāi)關(guān)電路。對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET ，當(dāng)輸入為+V時(shí)，V GS 等于+V;大電流將流過(guò) R L ，使輸出電壓接近 0V。當(dāng)輸入為0V時(shí)，V GS 等于0V;沒(méi)有電流流過(guò) R L ，因此輸出電壓為 +V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相反的。

但是對(duì)于耗盡型MOSFET ，當(dāng)輸入為+V時(shí)，V GS 等于0V;I DSS的大電流 將流過(guò) R L，使輸出電壓接近 +V。當(dāng)輸入為0V時(shí)，V GS 等于-V;沒(méi)有電流流過(guò) R L，因此輸出電壓為 0V。輸入和輸出的邏輯狀態(tài)總是相同的。

從以上四個(gè)電路中，我們可以得出結(jié)論，增強(qiáng)型 MOSFET 提供負(fù)邏輯操作，而耗盡型 MOSFET 提供正邏輯操作。P 型耗盡型 MOSFET 類似于 N 型增強(qiáng)型 MOSFET，因?yàn)閮烧叨夹枰妷簛?lái)激勵(lì)柵極;源極端連接到最低地電壓。

同樣，N 型耗盡型 MOSFET 類似于 P 型增強(qiáng)型 MOSFET，因?yàn)閮烧叨夹枰?fù)電壓來(lái)激勵(lì)柵極;源極端接最高電源電壓。

當(dāng)在傳導(dǎo)通道中感應(yīng)出載流子時(shí)，增強(qiáng)型 MOSFET 的控制柵極通電;相反，耗盡型 MOSFET 的控制柵極在導(dǎo)電溝道被夾斷時(shí)通電。

耗盡型 MOSFET 的操作顯示了當(dāng)柵極通電并連接到 +V 時(shí) P 型耗盡型 MOSFET 的夾斷。柵極處的正電壓將誘導(dǎo)帶負(fù)電的電子在絕緣體下方積聚并消除傳導(dǎo)通道中的空穴，從而形成沒(méi)有載流子的區(qū)域。開(kāi)始時(shí)，該區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)在源極端子附近——與地電位相連——并且該區(qū)域?qū)⒗^續(xù)擴(kuò)大，直到 P 通道完全被夾斷。夾斷總是首先發(fā)生在源極端子附近，因?yàn)樗B接到具有系統(tǒng)最低電位的 0V 地，而輸出漏極端子的電壓永遠(yuǎn)不會(huì)低于 0V。

緩沖

一旦我們建立了上一節(jié)所示的四個(gè)基本開(kāi)關(guān)電路，我們自然可以構(gòu)建以下兩個(gè) CMOS 電路：增強(qiáng)型 MOSFET 的反相器，以及耗盡型 MOSFET 的同相緩沖器。CMOS電路以其在穩(wěn)定狀態(tài)下不消耗功率的省電能力而著稱;兩個(gè)互補(bǔ) MOSFET 中的一個(gè)始終處于 ON 狀態(tài)，而另一個(gè)處于 OFF 狀態(tài)。由于增強(qiáng)型 MOSFET 的行為眾所周知，我們將只關(guān)注耗盡型 MOSFET 的行為。

閂鎖

同相緩沖器的創(chuàng)建也給了我們一個(gè)鎖存器。由于緩沖器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)始終具有相同的相位，我們甚至可以將它們捆綁在一起以產(chǎn)生正反饋來(lái)鎖定其狀態(tài)。

鎖存器是用于存儲(chǔ)設(shè)備的獨(dú)特電路。當(dāng)輸入信號(hào)綁定到 0V 時(shí)，N 型 MOSFET 將被夾斷，但 P 型 MOSFET 將導(dǎo)通，因此輸出將為 0V。由于兩個(gè) MOSFET 都處于穩(wěn)定狀態(tài)，即使在輸入信號(hào)被移除后，輸出也將永遠(yuǎn)保持在 0V。

同樣，當(dāng)輸入信號(hào)連接到 +V 時(shí)，P 型 MOSFET 將被夾斷，但 N 型 MOSFET 將導(dǎo)通，因此輸出也將為 +V。由于兩個(gè) MOSFET 都處于穩(wěn)定狀態(tài)，即使在輸入信號(hào)被移除后，輸出也將永遠(yuǎn)保持在 +V。

傳統(tǒng)上，它需要兩個(gè)反相器來(lái)構(gòu)建一個(gè)鎖存器，因?yàn)檫@是產(chǎn)生正反饋的唯一方法。使用正邏輯技術(shù)，一個(gè)非反相緩沖器足以構(gòu)建一個(gè)鎖存器，并且可以節(jié)省一半的硅片。

記憶細(xì)胞

物理上，一個(gè)由兩個(gè) MOSFET 的正邏輯技術(shù)構(gòu)建的鎖存器由兩個(gè)存儲(chǔ)單元組成，N 型 MOSFET 是鎖定 H 狀態(tài)的存儲(chǔ)單元，而 P 型 MOSFET 是鎖定 L 狀態(tài)的存儲(chǔ)單元。可以使用單個(gè) MOSFET 作為存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù);然而，由于單個(gè) MOSFET 只能鎖定在邏輯狀態(tài)，因此需要刷新機(jī)制來(lái)保持解鎖狀態(tài)，這在 DRAM 應(yīng)用中很常用。

靜電放電

所有傳統(tǒng)的 MOSFET 產(chǎn)品都會(huì)受到靜電放電的損壞，尤其是在未通電的情況下。這是因?yàn)樵跂艠O通電之前，增強(qiáng)型 MOSFET 的傳導(dǎo)通道是不存在的;增強(qiáng)型 MOSFET 的所有柵極、源極和漏極端子在系統(tǒng)未上電時(shí)都處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，因此它們很容易被 ESD 損壞。設(shè)計(jì)一個(gè)在系統(tǒng)未上電時(shí)保護(hù)增強(qiáng)型 MOSFET 并且同時(shí)在系統(tǒng)上電時(shí)不消耗功率的低阻抗電路是非常困難的 。

但 ESD 保護(hù)對(duì)于耗盡型 MOSFET 來(lái)說(shuō)絕不是問(wèn)題，因?yàn)榈妥杩箓鲗?dǎo)通道始終存在于系統(tǒng)通電之前。簡(jiǎn)單 ESD 保護(hù)電路 可以在系統(tǒng)未通電時(shí)通過(guò)將柵極輸入連接到電源軌和接地系統(tǒng)來(lái)保護(hù)高阻抗柵極輸入免受 ESD 事件的影響。系統(tǒng)上電時(shí)，ESD 保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，不耗電。