IC設(shè)計(jì)：CMOS器件及其電路

作為一個(gè)微電子專業(yè)的IC learner，這個(gè)學(xué)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(huì)聊聊鎖存器和觸發(fā)器。

今天的主要內(nèi)容如下所示：

·MOS晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理簡(jiǎn)述

·CMOS單元電路與版圖

·CMOS門電路

·CMOS的功耗表示

老實(shí)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(shù)字設(shè)計(jì)或許要了解的東西吧(以后要是有必要，會(huì)補(bǔ)充)。

1、MOS晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理簡(jiǎn)述

我們或多或少知道，晶體管在數(shù)字電路中的主要作用就是一個(gè)電子開關(guān)，通過電壓或者電流，控制這個(gè)“開關(guān)”開還是關(guān)。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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET或者M(jìn)OS，metal-oxide-semiconductor field effect transistor)。我們這里主要來聊聊MOS了，那個(gè)BJT在現(xiàn)在數(shù)字IC設(shè)計(jì)中已經(jīng)不是主流工藝了。

①M(fèi)OS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(fù)雜了，簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jié)構(gòu)如下所示：

最底層是硅晶元圓襯底(substrate)(Body Si那里),最頂上是導(dǎo)電的柵極(gate)，中間是二氧化硅構(gòu)成的絕緣層。在過去柵極是由金屬構(gòu)成的，因此叫做金屬-氧化物-半導(dǎo)體，現(xiàn)在的柵極使用的是多晶硅(poly)。MOS結(jié)構(gòu)中，金屬(多晶硅)與半導(dǎo)體襯底之間的二氧化硅會(huì)形成一個(gè)電容。

好吧，上面那一段看不懂也沒關(guān)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(gè)n型的摻雜區(qū)域分別稱為源極(Source)和漏極(Drain)(其實(shí)你把左邊定義為漏而右邊定義為源也沒有問題，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候這個(gè)器件是對(duì)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(gè)電極了(實(shí)際上的MOS是一個(gè)4端器件，它的襯底也是一個(gè)端)。下面來說一下他們?cè)趺垂ぷ鳌?/p>

前面我們說了，晶體管的作用就是大致就是一個(gè)開關(guān)，在電流或者電壓的控制下進(jìn)行開和關(guān)，對(duì)于NMOS晶體管，我們現(xiàn)在給它加上電壓，讓它開始工作

加上電壓后，所謂的源極，就相當(dāng)于電子的源頭;所謂的漏極，就相當(dāng)于漏出電子的開口;而中間的柵極，就像控制開關(guān)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(xiàn)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(jìn)行導(dǎo)電，也就是“開關(guān)”打開的的時(shí)候(由于是形成的N溝道，也就是電子導(dǎo)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(guān)斷，因此就源漏之間就關(guān)斷了，也就是“開關(guān)”關(guān)斷的時(shí)候。上面就是NMOS的結(jié)構(gòu)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(jìn)行打開，而通過控制在柵極施加高電平電壓，讓溝道關(guān)斷。)

注意：柵極的電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，溝道才會(huì)形成，溝道形成時(shí)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(gè)稱呼，一個(gè)是轉(zhuǎn)移特性曲線，一個(gè)是輸出特性曲線)：

在前面我們知道，對(duì)于NMOS，源極(S)是接地的，漏極(D)是接數(shù)字電源的，在工作的時(shí)候，一般Vds是不變的，然后根據(jù)柵極(G)上的電壓決定溝道是否導(dǎo)通。工作的時(shí)候，Vg的值(也就是輸入信號(hào)的電壓值)是一個(gè)定值，要么高電平(可能有波動(dòng))，要么是低電平，從這里我們也知道NMOS工作的時(shí)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(shí)候，這個(gè)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(nèi)部自個(gè)形成的電容(寄生電容)，

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(chǎn)生的電容C3 和C4;

(4)源/漏區(qū)與襯底之間的結(jié)電容C5與C6。

好吧，其實(shí)這些個(gè)MOS這個(gè)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(xiàn)在工藝中，我們主要使用的是成為CMOS(互補(bǔ)型半導(dǎo)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(gòu)成一個(gè)單元，稱為CMOS單元或者反相器單元，其結(jié)構(gòu)把PMOS和NMOS同時(shí)集成在一個(gè)晶元上然后柵極相連，漏極相連，下面是它的結(jié)構(gòu)圖(關(guān)于電路符號(hào)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(hào)圖了，上面的那個(gè)CMOS反相器對(duì)于的電路符號(hào)圖如下所示：現(xiàn)在我們就來分析一下這個(gè)CMOS反相器的工作原理來說明這個(gè)為什么CMOS工藝是主流吧：

A當(dāng)輸入信號(hào)A=1時(shí)，PMOS關(guān)斷，NMOS打開，輸出信號(hào)Y的電壓相當(dāng)于GND的電壓，也就是Y=0;在這個(gè)過程中，從VDD到GND這一個(gè)供電回路都沒有導(dǎo)通，因此理論不存在電流從VDD流到GND，因此功耗為0.

B當(dāng)輸入信號(hào)A=0時(shí)，PMOS打開，而NMOS關(guān)閉，輸出信號(hào)Y=VDD=1，但是從VDD到GND這一個(gè)供電回路也沒有導(dǎo)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(jìn)行傳輸信號(hào)時(shí)，沒有功耗(好吧，我們應(yīng)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。

然后下面的NMOS的源極通過通孔跟金屬連在一起(綠色跟藍(lán)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(dāng)做輸出。

PMOS的源極通過通孔連接到金屬然后連接到了數(shù)字電源上。

3、CMOS門電路

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

②(二輸入)CMOS與非門(NAND)：

數(shù)字邏輯電路都可以由上面的三種電路化簡(jiǎn)構(gòu)成，也就是說一個(gè)電路可以由NAND或者NOR電路構(gòu)成，我們來看看他們的特點(diǎn)來推導(dǎo)數(shù)字CMOS電路的特點(diǎn)。

容易知道(反正我們就當(dāng)做結(jié)論好了)：

此外我們也注意到，使用到與功能的時(shí)候，NMOS網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)的;使用或功能時(shí)，NMOS網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)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(gè)就可以(或)，與還是或，可以根據(jù)NMOS的串并結(jié)構(gòu)判斷。

然后設(shè)計(jì)多少個(gè)輸入的NXXX門，就把多少個(gè)NMOS串/并聯(lián)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(shí)間內(nèi)消耗的能量，在數(shù)字系統(tǒng)中的功耗主要包括靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，我們將從CMOS電路角度聊聊靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。

CMOS的靜態(tài)功耗：當(dāng)CMOS不翻轉(zhuǎn)/不工作時(shí)的功耗。在CMOS都不工作時(shí)，也就是晶體管都處于截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)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(gè)靜態(tài)電流Idd稱為電源和地之間的漏電流，跟器件有關(guān)(至于漏電流是怎么引起的，這里就不再闡述了)。初中的時(shí)候，我們就學(xué)過P=UI，因此靜態(tài)功耗就可以這樣表示 :

CMOS的動(dòng)態(tài)功耗是信號(hào)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(dǎo)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(nèi)，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，

PS：上面主要是列舉了一些主要的功耗，比如動(dòng)態(tài)功耗中除了翻轉(zhuǎn)時(shí)電容消耗功耗外，還有在柵極信號(hào)翻轉(zhuǎn)的時(shí)候PMOS和NMOS同時(shí)導(dǎo)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(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)詳細(xì)說明一下。