IC设计基础系列之CDC篇6：从CMOS到触发器（一）

look_w

作为一个微电子专业的IC learner，这个学期也有一门课：《微电子器件》，今天我就来聊聊基本的器件：CMOS器件及其电路。在后面会聊聊锁存器和触发器。
　　今天的主要内容如下所示：
　　　　·MOS晶体管结构与工作原理简述
　　　　·CMOS单元电路与版图
　　　　·CMOS门电路
　　　　·CMOS的功耗表示


老实说，CMOS比较偏微电子器件，微电子器件还真难...这里我就说一些做数字设计或许要了解的东西吧（以后要是有必要，会补充）。


1、MOS晶体管结构与工作原理简述
　　我们或多或少知道，晶体管在数字电路中的主要作用就是一个电子开关，通过电压或者电流，控制这个“开关”开还是关。晶体管大概有两种分类：一种是双极性晶体管（BJT，bipolar  junction  transistor），另外一种是金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET或者MOS，metal-oxide-semiconductor  field effect transistor）。我们这里主要来聊聊MOS了，那个BJT在现在数字IC设计中已经不是主流工艺了。
　　①MOS晶体管分为PMOS和NMOS，是哪一类MOS取决于衬底和掺杂浓度。至于是怎么形成的，这太复杂了，简单的三言两语说不清楚，这里干脆就不说了，我们直接来看他们的截面图和简单地讲解它们的工作原理好了（以下均以NMOS为例）。
NMOS晶体管的横截面结构如下所示：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　


　　最底层是硅晶元圆衬底（substrate）(Body Si那里),最顶上是导电的栅极（gate），中间是二氧化硅构成的绝缘层。在过去栅极是由金属构成的，因此叫做金属-氧化物-半导体，现在的栅极使用的是多晶硅（poly）。MOS结构中，金属(多晶硅)与半导体衬底之间的二氧化硅会形成一个电容。
　　好吧，上面那一段看不懂也没关系，也不重要，需要你记住的是，上述的NMOS晶体管中，衬底是P型的，衬底上有两个n型的掺杂区域分别称为源极（Source）和漏极（Drain）（其实你把左边定义为漏而右边定义为源也没有问题，因为这个时候这个器件是对称的，在连接电源和地之后，S和D才真正确定）,中间最上面的称为栅极（Gate），这就是NMOS的三个电极了（实际上的MOS是一个4端器件，它的衬底也是一个端）。下面来说一下他们怎么工作。
　　前面我们说了，晶体管的作用就是大致就是一个开关，在电流或者电压的控制下进行开和关，对于NMOS晶体管，我们现在给它加上电压，让它开始工作：
               


如上左图所示，加上电压后，所谓的源极，就相当于电子的源头；所谓的漏极，就相当于漏出电子的开口；而中间的栅极，就像控制开关一样：一方面通过控制在栅极施加的高电平电压，使源漏之间出现沟道，电子通过沟道从源极流向漏极，电流的方向也就是从漏到源了，从而进行导电，也就是“开关”打开的的时候（由于是形成的N沟道，也就是电子导电，因此成为N型CMOS）。另一方面再通过控制在栅极施加低电平电压，让沟道关断，因此就源漏之间就关断了，也就是“开关”关断的时候。上面就是NMOS的结构和工作流程了。（PMOS的工作流程恰好相反：通过控制在栅极施加的低电平电压，进行打开，而通过控制在栅极施加高电平电压，让沟道关断。）
注意：栅极的电压达到一定数值时，沟道才会形成，沟道形成时的电压称为阈值电压（Vth）。
　　②下面我们来看一下I-V特性曲线（注意这两个称呼，一个是转移特性曲线，一个是输出特性曲线）：
　　　　　　　　　　　　　　

　　　在前面我们知道，对于NMOS，源极(S)是接地的，漏极（D）是接数字电源的，在工作的时候，一般Vds是不变的，然后根据栅极（G）上的电压决定沟道是否导通。工作的时候，Vg的值（也就是输入信号的电压值）是一个定值，要么高电平（可能有波动），要么是低电平，从这里我们也知道NMOS工作的时候，是有电流从电源（VDD）流到地（GND）的（也就是从D流到S的），在电源电压不变的时候，这个电流随着栅极上的电压增大而增大。
　　　　③接着我们看看MOS的内部自个形成的电容（寄生电容），如下图所示：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　主要分为：
　　　　（1）栅和沟道之间的氧化层电容C1；　
　　　　（2）衬底和沟道之间的耗尽层电容C2；　
　　　　（3）多晶硅栅与源和漏的交叠而产生的电容C3 和C4；　
　　　　（4）源/漏区与衬底之间的结电容C5与C6。
　　好吧，其实这些个MOS这个电容我们看看就好了，毕竟我们不是做器件的。