互補金氧半導體 (CMOS)

---

簡介

互補金氧半導體 (CMOS) 是一種積體電路 (IC)。在 20 世紀 70 年代，一個積體電路 (IC) 晶片最多隻能包含 10,000 個電晶體，電晶體特徵長度超過 1 微米。例如，摩托羅拉 6800 CPU 只有 4100 個電晶體，特徵長度為 6.0 微米。但 IC 行業在不到 50 年的時間裡經歷了翻天覆地的變化。如今的晶片可能擁有超過 100 億個電晶體，而它們的特徵長度可能只有 10 奈米。由於電晶體密度的巨大提高，現在可以在一個晶片上放置更多的功能。這意味著現代電子裝置的晶片在尺寸更小的情況下也更加強大。由於標準晶片上的電路是透過組合兩種互補型別的電晶體來建立的，因此被稱為 CMOS 器件，它是為電子電路提供動力的基本元件。

CMOS 的簡史

真空管 用於建立最早的電晶體，這些電晶體誕生於 20 世紀初。由於尺寸龐大，真空管電晶體難以使用。1947 年 12 月，約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利在貝爾實驗室工作，創造了點接觸鍺電晶體。如圖 1 所示，這種電晶體尺寸要小得多。此外，它使用的電能更少，執行溫度更低，響應速度更快。這導致固態電晶體迅速取代了真空管電晶體。毫無疑問，固態電晶體更易於使用。在其問世後，電子行業很快就經歷了巨大的變革。這三位來自貝爾實驗室的研究人員因其重大貢獻而共同獲得了 1956 年諾貝爾物理學獎。

點接觸電晶體，CC0 1.0

圖 1. 帶有點接觸的電晶體。

1954 年，戈登·蒂爾生產出了第一批可供購買的矽電晶體。由於矽的效能優於鍺，因此矽逐漸取代鍺成為電晶體的襯底材料。第一個用擴散矽製成的電晶體出現在 1955 年。1960 年，外延技術被應用於電晶體以降低集電極的電阻。同年，讓·霍爾尼推出了平面電晶體。

金氧半導體場效應電晶體 (MOSFET)

MOSFET 在電路中用作電子開關或放大器。MOSFET 有兩種型別：耗盡型 MOSFET (D-MOSFET) 和增強型 MOSFET (E-MOSFET)。圖 2 顯示了這兩種 MOSFET 的基本佈局。該圖顯示了這兩個器件彼此之間有多麼相似。它們有四個元件：漏極、源極、柵極和襯底端子。E-MOSFET 的源極和漏極之間存在物理分離。相反，D-MOSFET 具有連線這兩個端子的物理植入。

圖 2. 分別為增強型 MOSFET 和耗盡型 MOSFET 的橫截面。

當沒有電壓施加到柵極端子時，E-MOSFET 和 D-MOSFET 分別充當開路開關和閉路開關。這意味著要關閉 D-MOSFET，必須向其供電。E-MOSFET 功耗更低，因為它無需此額外電壓即可關閉，這使其在 IC 行業中很受歡迎。因此，E-MOSFET 通常被稱為 MOSFET。該器件由三個主要層組成：單晶半導體層、氧化物層和充當柵極端子的多晶矽層（即襯底）。最初使用鋁來製造柵極端子。這三個材料層以及 MOSFET 控制其開關功能所需的電場的必要性基本上導致了“MOSFET”這個名稱的出現。然而，從 20 世紀 70 年代中期開始，多晶矽被用作柵極材料。在離子注入過程中，使用多晶矽柵極的出色耐溫性作為掩模來建立自對準的源極和漏極端子，從而提高了工藝精度。儘管柵極不再由鋁製成，但由於 MOSFET 這個名稱得到了廣泛理解，因此仍然沿用至今。

CMOS 器件

電子電路獨立使用 NMOS 和 PMOS 電晶體，但每種電晶體都有其自身的缺點。當需要邏輯 0 時，PMOS 電晶體無法提供精確的零輸出電壓，但當需要邏輯 1 時，NMOS 電晶體無法在輸出端產生完整的 VDD 值。由於從 0 到 VDD 的部分擺動，導致電路功耗損失。為了解決此問題，IC 設計中將 NMOS 和 PMOS 電晶體結合在一起。當要形成邏輯 1 或 0 時，透過將 PMOS 電晶體和 NMOS 電晶體的源極分別連線到 VDD 輸入電壓和地，可以將輸出 VDS 完全推高到 VDD 並拉低到地。因此，由 PMOS 電晶體組成的電路部分稱為上拉網路，而由 NMOS 電晶體組成的部分稱為下拉網路。

圖 3. TCMOS 反相器原理圖。

互補 MOS 電路，通常稱為 CMOS 電路，是由這兩種互補電晶體組成的。在 CMOS 電路中，一次只能使用上拉網路或下拉網路之一。考慮 CMOS 反相器（例如圖 3 中的）的工作原理。當要在輸出端建立邏輯 1 時，NMOS 電晶體充當開路開關，但 PMOS 電晶體充當閉路開關。當必須建立邏輯 0 時，PMOS 和 NMOS 電晶體以類似的方式響應，分別充當開路和閉路開關。這允許在電路處於穩態時功耗幾乎可以忽略不計。

結論

在本教程中，我們學習了互補金氧半導體，簡稱 CMOS，我們還討論了其特性和歷史。MOSFET 在電路中用作電子開關或放大器。MOSFET 有兩種型別：耗盡型 MOSFET (D-MOSFET) 和增強型 MOSFET (E-MOSFET)。本教程還簡要討論了使用 CMOS 製成的某些器件。

常見問題

Q1. CMOS 的一些應用是什麼？

A1. 微控制器、微處理器、影像感測器和靜態 RAM 只是 CMOS 的一些應用。

Q2. 什麼是 MOSFET？

A2. 金屬氧化物矽場效應電晶體，或 MOSFET，是一種四端、電壓控制的電子器件，用於開關和放大。

Q3. MOSFET 可以雙向導通嗎？

A3. 是的，MOSFET 是雙向的。

Q4. MOSFET 有多少種類型？

A4. 耗盡型和增強型 MOSFET 是兩種不同的型別。總共有四種不同的 MOSFET 型別，每種型別都有 n 通道或 p 通道選項。

Q5. MOSFET 的工作區域是什麼？

A5. 截止區、歐姆區和飽和區是三個工作區域。