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，會補(bǔ)充）。

1、MOS晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理簡述

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(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）。下面來說一下他們怎么工作。

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)，對于NMOS晶體管，我們現(xiàn)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(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（也就是輸入信號的電壓值）是一個(gè)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(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），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(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(gè)CMOS反相器對于的電路符號圖如下所示：

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A=1時(shí)，PMOS關(guān)斷，NMOS打開，輸出信號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A=0時(shí)，PMOS打開，而NMOS關(guān)閉，輸出信號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。

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(gè)版圖先湊合著看），下面來說一下這個(gè)版圖吧：

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

然后 ??綠色的摻雜區(qū)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(gè)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(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。

更加抽象（好看一點(diǎn)）的圖如下所示：

版圖的基本知識就到這好了，更詳細(xì)的知識還是查看更專業(yè)的書籍吧。

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）：

直接上圖吧，CMOS與非門的電路符號結(jié)構(gòu)如下所示：

（PMOS的電路符號柵極處本來應(yīng)該有個(gè)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(yīng)該有個(gè)小圈圈，表示低電平有效的）

數(shù)字邏輯電路都可以由上面的三種電路化簡構(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）：

反相邏輯門的通用結(jié)構(gòu)如下所示：

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)功耗和動態(tài)功耗，我們將從CMOS電路角度聊聊靜態(tài)功耗和動態(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的動態(tài)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(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，因此動態(tài)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(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)候會詳細(xì)說明一下。