C淺析MOS電路

CMOS問世比TTL較晚，但發展較快，大有後來者居上、趕超並取代之勢。
1、組成結構
CMOS電路是互補型金屬氧化物半導體電路(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)的英文字頭縮寫，它由絕緣場效應晶體管組成，由於只有一種載流子，因而是一種單極型晶體管集成電路，其基本結構是一個N溝道MOS管和一個P溝道MOS管，如圖1所示。

由於兩管柵極工作電壓極性相反，故將兩管柵極相連作為輸入端，兩個漏極相連作為輸出端，如圖1(a)所示，則兩管正好互為負載，處於互補工作狀態。
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當輸入低電平(Vi=Vss)時，PMOS管導通，NMOS管截止，輸出高電平，如圖1(b)所示。 　　·
當輸入高電平(Vi=VDD)時，PMOS管截止，NMOS管導通，輸出為低電平，如圖1(c)所示。
兩管如單刀雙擲開關一樣交替工作，構成反相器。
2、製造工藝
CMOS電路中的主要組成是金屬、氧化物、半導體管，做在同一基片上，其間自然是隔離的，無需專門的隔離措施。
圖2為CMOS反相器的晶元結構示意圖。

在製造時，首先在N型硅襯底上擴散P型區，這個P型區通常叫做P阱，也就是N-MOS管的襯底;在P阱內再用擴散法製作兩個N型區，以形成N-MOS管(N溝道MOS管)。而P-MOS管則可直接做在N型硅襯底上。
由上述可見，CMOS電路比雙極型電路製造工藝簡單、工序少，由於節省了隔離槽佔用的面積，還可大大提高電路集成度。當然，若與單溝道MOS電路相比，工藝上要稍複雜些，例如它要多用兩塊光刻板，還需要P阱保護環，因而晶元利用率也要低些。
3、電路特點
1) 功耗
表1列出了各種MOS電路的四個主要參數。

CMOS電路採用互補結構，工作時總是一個MOS管處於導通、另一個MOS管處於截止狀態，因而電路功耗理論上為零。
實際上，由於存在硅表面和PN結的泄露電流，量值約數百毫微安，因而尚有微瓦量級的靜態功耗，但相比於TTL電路則低多了。
功耗低，這是CMOS電路的一個突出優點。
圖3為兩種電路的動態功耗電流曲線。


2) 抗干擾能力
抗干擾能力又稱雜訊容限，它表示電路保持穩定工作所能抗拒外來干擾和本身雜訊的能力，可用圖4電壓傳輸特性來說明。

在圖4曲線中，ViL為本級門最大輸入低電平，Vg為關門電平，Vk為開門電平，ViH為最低輸入高電平。顯然，要保持輸出高電平，干擾電壓不應超過：

圖4是在電源電壓為5V時的典型曲線，由圖可知，CMOS曲線比TTL變化陡，其Vgc與Vkc值接近約為2V，且輸入、輸出電壓範圍也比TTL大，因而其抗干擾能力較強。
3) 工作速度
電路的工作速度一般用平均傳輸延遲時間tpd表示。它說明輸出信號比輸入信號在時間上落後了多少，也就是信號通過一級門所花費的時間。當然，希望tpd值越小越好。
表1中所列tpd值是在環境溫度25ºC，供電電壓5V同一條件下，對與非門電路的測試值。由表可見，CMOS電路的工作速度比PMOS和NMOS電路要高得多，但比TTL電路要低約一個數量級。
前已述及，工作速度的提高在功耗上是要付出代價的，這也就是CMOS電路不宜用於高速控制系統的主要原因。
4) 扇出係數
在實際應用中，要完成複雜的邏輯運算，一個門電路總是要驅動若干個其他門電路的，因而後級門就成前級門的負載。一個門能驅動的門的個數是有限制的，通常用能驅動同類門的最大個數來表示一個門的負載能力，這個數值叫做扇出係數No。
影響No的因素主要有二：
1) 電路輸出管允許的倒灌電流;
2) 門電路本身的短路輸入電流。
由電路結構可知，CMOS電路的輸入端是柵氧化膜，其阻值高達數百兆歐。實際上由於在輸入端設置的保護電阻和保護二極體PN結的漏電，使輸入阻貳下降至數十兆歐，儘管如此，它比TTL電路要高得多。
由於CMOS電路的輸入阻貳極高，在級聯時幾乎不取負載電流，因而其扇出係數要比TTL電路約高出一倍。