【CMOS邏輯IC基礎知識】——受歡迎的CMOS邏輯IC

在上期的芝識課堂中，我們和大家簡(jiǎn)單認識了邏輯IC的基本知識和分類(lèi)，并且特別提到CMOS邏輯IC因成本、系統復雜度和功耗的平衡性最好，因此得到了最廣泛應用。今天我們就詳細跟大家一起了解CMOS邏輯IC的基本操作。

什么是CMOS呢？

使用互補的p溝道和n溝道MOSFET組合的電路稱(chēng)為CMOS（互補MOS）。CMOS邏輯IC以各種方式組合MOSFET來(lái)實(shí)現邏輯功能。其中由一對p溝道和n溝道MOSFET組成的邏輯門(mén)稱(chēng)為反相器。圖1是一個(gè)基本的邏輯IC結果示意，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(guò)組合p溝道和n溝道MOSFET可以實(shí)現各種邏輯功能，從而根據不同的輸入得到想要的輸出結果。當MOSFET的柵極-源極電壓超過(guò)某個(gè)電壓（閾值電壓，|Vth|）時(shí)，漏極-源極電阻減小，使得MOSFET導通。這種漏極-源極電阻稱(chēng)為導通電阻。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導通的條件。

圖3 MOSFET導通的條件

N溝道MOSFET：當柵極電壓比源極電壓高|Vth|時(shí)，n溝道MOSFET導通。

P溝道MOSFET：當柵極電壓比源極電壓低|Vth|時(shí)，p溝道MOSFET導通。

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(guò)。當輸入處于穩定狀態(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(xiàn)。當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(guò)。但是，當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，應注意確保避免對于VIN的輸入變化過(guò)慢。

圖5 CMOS邏輯IC的VIN-ICC曲線(xiàn)

了解了CMOS邏輯IC的基本工作原理，我們接下來(lái)通過(guò)展示橫截面示例來(lái)更深入地學(xué)習CMOS邏輯IC的構造：

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的區域。#3為n溝道MOSFET源極的擴散區。#4為n溝道MOSFET漏極的擴散區。#5為p溝道MOSFET漏極的擴散區。#6為p溝道MOSFET源極的擴散區。#7為p阱偏壓擴散區。#8為n基底偏壓擴散區。

圖6 橫截面示例

作為CMOS邏輯IC的制造者，自推出第一個(gè)標準CMOS系列（4000系列）以來(lái)，東芝已經(jīng)發(fā)布了連續幾代高速和低壓CMOS邏輯IC，包括標準CMOS、高速CMOS、升級版CMOS、特高速和低壓與超低壓系統等不同指標的產(chǎn)品。未來(lái)東芝將繼續提供適用于各種應用的CMOS邏輯IC。

圖7 東芝CMOS IC系列

在今天的芝識課堂中，我們?yōu)榇蠹以敿毭枋隽薈MOS邏輯IC的基本操作流程，不過(guò)這種操作流程用一篇圖文的形式表達理解起來(lái)還是有些難度，如果您想要了解更多更詳細的芝識，歡迎到東芝官網(wǎng)學(xué)習吧！