互补金属氧化物半导体 (CMOS)

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简介

互补金属氧化物半导体 (CMOS) 是一种集成电路 (IC)。在 20 世纪 70 年代，一个集成电路 (IC) 芯片最多只能包含 10,000 个晶体管，晶体管特征长度超过 1 微米。例如，摩托罗拉 6800 CPU 只有 4100 个晶体管，特征长度为 6.0 微米。但 IC 行业在不到 50 年的时间里经历了翻天覆地的变化。如今的芯片可能拥有超过 100 亿个晶体管，而它们的特征长度可能只有 10 纳米。由于晶体管密度的巨大提高，现在可以在一个芯片上放置更多的功能。这意味着现代电子设备的芯片在尺寸更小的情况下也更加强大。由于标准芯片上的电路是通过组合两种互补类型的晶体管来创建的，因此被称为 CMOS 器件，它是为电子电路提供动力的基本元件。

CMOS 的简史

真空管 用于创建最早的晶体管，这些晶体管诞生于 20 世纪初。由于尺寸庞大，真空管晶体管难以使用。1947 年 12 月，约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利在贝尔实验室工作，创造了点接触锗晶体管。如图 1 所示，这种晶体管尺寸要小得多。此外，它使用的电能更少，运行温度更低，响应速度更快。这导致固态晶体管迅速取代了真空管晶体管。毫无疑问，固态晶体管更易于使用。在其问世后，电子行业很快就经历了巨大的变革。这三位来自贝尔实验室的研究人员因其重大贡献而共同获得了 1956 年诺贝尔物理学奖。

点接触晶体管，CC0 1.0

图 1. 带有点接触的晶体管。

1954 年，戈登·蒂尔生产出了第一批可供购买的硅晶体管。由于硅的性能优于锗，因此硅逐渐取代锗成为晶体管的衬底材料。第一个用扩散硅制成的晶体管出现在 1955 年。1960 年，外延技术被应用于晶体管以降低集电极的电阻。同年，让·霍尔尼推出了平面晶体管。

金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)

MOSFET 在电路中用作电子开关或放大器。MOSFET 有两种类型：耗尽型 MOSFET (D-MOSFET) 和增强型 MOSFET (E-MOSFET)。图 2 显示了这两种 MOSFET 的基本布局。该图显示了这两个器件彼此之间有多么相似。它们有四个组件：漏极、源极、栅极和衬底端子。E-MOSFET 的源极和漏极之间存在物理分离。相反，D-MOSFET 具有连接这两个端子的物理植入。

图 2. 分别为增强型 MOSFET 和耗尽型 MOSFET 的横截面。

当没有电压施加到栅极端子时，E-MOSFET 和 D-MOSFET 分别充当开路开关和闭路开关。这意味着要关闭 D-MOSFET，必须向其供电。E-MOSFET 功耗更低，因为它无需此额外电压即可关闭，这使其在 IC 行业中很受欢迎。因此，E-MOSFET 通常被称为 MOSFET。该器件由三个主要层组成：单晶半导体层、氧化物层和充当栅极端子的多晶硅层（即衬底）。最初使用铝来制造栅极端子。这三个材料层以及 MOSFET 控制其开关功能所需的电场的必要性基本上导致了“MOSFET”这个名称的出现。然而，从 20 世纪 70 年代中期开始，多晶硅被用作栅极材料。在离子注入过程中，使用多晶硅栅极的出色耐温性作为掩模来创建自对准的源极和漏极端子，从而提高了工艺精度。尽管栅极不再由铝制成，但由于 MOSFET 这个名称得到了广泛理解，因此仍然沿用至今。

CMOS 器件

电子电路独立使用 NMOS 和 PMOS 晶体管，但每种晶体管都有其自身的缺点。当需要逻辑 0 时，PMOS 晶体管无法提供精确的零输出电压，但当需要逻辑 1 时，NMOS 晶体管无法在输出端产生完整的 VDD 值。由于从 0 到 VDD 的部分摆动，导致电路功耗损失。为了解决此问题，IC 设计中将 NMOS 和 PMOS 晶体管结合在一起。当要形成逻辑 1 或 0 时，通过将 PMOS 晶体管和 NMOS 晶体管的源极分别连接到 VDD 输入电压和地，可以将输出 VDS 完全推高到 VDD 并拉低到地。因此，由 PMOS 晶体管组成的电路部分称为上拉网络，而由 NMOS 晶体管组成的部分称为下拉网络。

图 3. TCMOS 反相器原理图。

互补 MOS 电路，通常称为 CMOS 电路，是由这两种互补晶体管组成的。在 CMOS 电路中，一次只能使用上拉网络或下拉网络之一。考虑 CMOS 反相器（例如图 3 中的）的工作原理。当要在输出端创建逻辑 1 时，NMOS 晶体管充当开路开关，但 PMOS 晶体管充当闭路开关。当必须创建逻辑 0 时，PMOS 和 NMOS 晶体管以类似的方式响应，分别充当开路和闭路开关。这允许在电路处于稳态时功耗几乎可以忽略不计。

结论

在本教程中，我们学习了互补金属氧化物半导体，简称 CMOS，我们还讨论了其特性和历史。MOSFET 在电路中用作电子开关或放大器。MOSFET 有两种类型：耗尽型 MOSFET (D-MOSFET) 和增强型 MOSFET (E-MOSFET)。本教程还简要讨论了使用 CMOS 制成的某些器件。

常见问题

Q1. CMOS 的一些应用是什么？

A1. 微控制器、微处理器、图像传感器和静态 RAM 只是 CMOS 的一些应用。

Q2. 什么是 MOSFET？

A2. 金属氧化物硅场效应晶体管，或 MOSFET，是一种四端、电压控制的电子器件，用于开关和放大。

Q3. MOSFET 可以双向导通吗？

A3. 是的，MOSFET 是双向的。

Q4. MOSFET 有多少种类型？

A4. 耗尽型和增强型 MOSFET 是两种不同的类型。总共有四种不同的 MOSFET 类型，每种类型都有 n 通道或 p 通道选项。

Q5. MOSFET 的工作区域是什么？

A5. 截止区、欧姆区和饱和区是三个工作区域。