一起了解CMOS逻辑IC的基本操作

在上期的芝识课堂中，我们和大家简单认识了逻辑IC的基本知识和分类，并且特别提到CMOS逻辑IC因成本、系统复杂度和功耗的平衡性最好，因此得到了最广泛应用。今天我们就详细跟大家一起了解CMOS逻辑IC的基本操作。

什么是CMOS呢？

使用互补的p沟道和n沟道MOSFET组合的电路称为CMOS（互补MOS）。CMOS逻辑IC以各种方式组合MOSFET来实现逻辑功能。其中由一对p沟道和n沟道MOSFET组成的逻辑门称为反相器。图1是一个基本的逻辑IC结果示意，图2用流程图的形式，简要介绍了反相器的操作。

图1 CMOS 逻辑IC示意

图2 反相器工作基本原理示意

在CMOS逻辑IC中，通过组合p沟道和n沟道MOSFET可以实现各种逻辑功能，从而根据不同的输入得到想要的输出结果。当MOSFET的栅极-源极电压超过某个电压（阈值电压，|Vth|）时，漏极-源极电阻减小，使得MOSFET导通。这种漏极-源极电阻称为导通电阻。n沟道和p沟道MOSFET的栅极和源极之间施加的电压方向不同。图3显示了MOSFET导通的条件。

图3 MOSFET导通的条件

N沟道MOSFET：当栅极电压比源极电压高|Vth|时，n沟道MOSFET导通。

P沟道MOSFET：当栅极电压比源极电压低|Vth|时，p沟道MOSFET导通。

如图4所示的反相器作为CMOS逻辑IC的基本组成部分，它的工作情况如下。当VIN处于VCC或GND电平时，p沟道或n沟道MOSFET均关断。因此，VCC和GND之间只有很小的电流（ICC）流过。当输入处于稳定状态时（处于VCC或GND电平），ICC非常低。

图4 CMOS逻辑IC（反相器）的组件

图5则显示了CMOS的VIN-ICC曲线。当VIN介于0和|Vth|之间或VCC－|Vth|和VCC之间时，VCC和GND之间只有很小的电流（ICC）流过。但是，当VIN介于|Vth|和VCC－|Vth|之间时，直通电流从p沟道MOSFET到n沟道MOSFET，从而增加了ICC。因此，应注意确保避免对于VIN的输入变化过慢。

图5 CMOS逻辑IC的VIN-ICC曲线

了解了CMOS逻辑IC的基本工作原理，我们接下来通过展示横截面示例来更深入地学习CMOS逻辑IC的构造：

下图中，#1为N基底，通常是晶圆基底。#2为P阱，指的是形成n沟道MOSEFT的区域。#3为n沟道MOSFET源极的扩散区。#4为n沟道MOSFET漏极的扩散区。#5为p沟道MOSFET漏极的扩散区。#6为p沟道MOSFET源极的扩散区。#7为p阱偏压扩散区。#8为n基底偏压扩散区。

图6 横截面示例

作为CMOS逻辑IC的制造者，自推出第一个标准CMOS系列（4000系列）以来，东芝已经发布了连续几代高速和低压CMOS逻辑IC，包括标准CMOS、高速CMOS、升级版CMOS、特高速和低压与超低压系统等不同指标的产品。未来东芝将继续提供适用于各种应用的CMOS逻辑IC。

图7 东芝CMOS IC系列

审核编辑：刘清