一起了解CMOS邏輯IC的基本操作

在上期的芝識(shí)課堂中，我們和大家簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)了邏輯IC的基本知識(shí)和分類，并且特別提到CMOS邏輯IC因成本、系統(tǒng)復(fù)雜度和功耗的平衡性最好，因此得到了最廣泛應(yīng)用。今天我們就詳細(xì)跟大家一起了解CMOS邏輯IC的基本操作。

什么是CMOS呢？

使用互補(bǔ)的p溝道和n溝道MOSFET組合的電路稱為CMOS（互補(bǔ)MOS）。CMOS邏輯IC以各種方式組合MOSFET來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。其中由一對(duì)p溝道和n溝道MOSFET組成的邏輯門稱為反相器。圖1是一個(gè)基本的邏輯IC結(jié)果示意，圖2用流程圖的形式，簡(jiǎn)要介紹了反相器的操作。

圖1 CMOS 邏輯IC示意

圖2 反相器工作基本原理示意

在CMOS邏輯IC中，通過組合p溝道和n溝道MOSFET可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能，從而根據(jù)不同的輸入得到想要的輸出結(jié)果。當(dāng)MOSFET的柵極-源極電壓超過某個(gè)電壓（閾值電壓，|Vth|）時(shí)，漏極-源極電阻減小，使得MOSFET導(dǎo)通。這種漏極-源極電阻稱為導(dǎo)通電阻。n溝道和p溝道MOSFET的柵極和源極之間施加的電壓方向不同。圖3顯示了MOSFET導(dǎo)通的條件。

圖3 MOSFET導(dǎo)通的條件

N溝道MOSFET：當(dāng)柵極電壓比源極電壓高|Vth|時(shí)，n溝道MOSFET導(dǎo)通。

P溝道MOSFET：當(dāng)柵極電壓比源極電壓低|Vth|時(shí)，p溝道MOSFET導(dǎo)通。

如圖4所示的反相器作為CMOS邏輯IC的基本組成部分，它的工作情況如下。當(dāng)VIN處于VCC或GND電平時(shí)，p溝道或n溝道MOSFET均關(guān)斷。因此，VCC和GND之間只有很小的電流（ICC）流過。當(dāng)輸入處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（處于VCC或GND電平），ICC非常低。

圖4 CMOS邏輯IC（反相器）的組件

圖5則顯示了CMOS的VIN-ICC曲線。當(dāng)VIN介于0和|Vth|之間或VCC－|Vth|和VCC之間時(shí)，VCC和GND之間只有很小的電流（ICC）流過。但是，當(dāng)VIN介于|Vth|和VCC－|Vth|之間時(shí)，直通電流從p溝道MOSFET到n溝道MOSFET，從而增加了ICC。因此，應(yīng)注意確保避免對(duì)于VIN的輸入變化過慢。

圖5 CMOS邏輯IC的VIN-ICC曲線

了解了CMOS邏輯IC的基本工作原理，我們接下來通過展示橫截面示例來更深入地學(xué)習(xí)CMOS邏輯IC的構(gòu)造：

下圖中，#1為N基底，通常是晶圓基底。#2為P阱，指的是形成n溝道MOSEFT的區(qū)域。#3為n溝道MOSFET源極的擴(kuò)散區(qū)。#4為n溝道MOSFET漏極的擴(kuò)散區(qū)。#5為p溝道MOSFET漏極的擴(kuò)散區(qū)。#6為p溝道MOSFET源極的擴(kuò)散區(qū)。#7為p阱偏壓擴(kuò)散區(qū)。#8為n基底偏壓擴(kuò)散區(qū)。

圖6 橫截面示例

作為CMOS邏輯IC的制造者，自推出第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS系列（4000系列）以來，東芝已經(jīng)發(fā)布了連續(xù)幾代高速和低壓CMOS邏輯IC，包括標(biāo)準(zhǔn)CMOS、高速CMOS、升級(jí)版CMOS、特高速和低壓與超低壓系統(tǒng)等不同指標(biāo)的產(chǎn)品。未來東芝將繼續(xù)提供適用于各種應(yīng)用的CMOS邏輯IC。

圖7 東芝CMOS IC系列

審核編輯：劉清