IC设计：CMOS器件及其电路
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。
2、cmos单元电路与版图
在现在工艺中，我们主要使用的是成为cmos（互补型半导体，complementary mos）的工艺，这种工艺主要就是把pmos和nmos这两类晶体管构成一个单元，称为cmos单元或者反相器单元，其结构把pmos和nmos同时集成在一个晶元上然后栅极相连，漏极相连，下面是它的结构图（关于电路符号和功能将在后面讲）：
在上图中，左边是nmos，右边是pmos。a是共连栅极输入，y是共连漏极输出，vdd连接pmos的源极，gnd连接gnd。
下面电路符号图了，上面的那个cmos反相器对于的电路符号图如下所示：
现在我们就来分析一下这个cmos反相器的工作原理来说明这个为什么cmos工艺是主流吧：
a当输入信号a=1时，pmos关断，nmos打开，输出信号y的电压相当于gnd的电压，也就是y=0；在这个过程中，从vdd到gnd这一个供电回路都没有导通，因此理论不存在电流从vdd流到gnd，因此功耗为0.
b当输入信号a=0时，pmos打开，而nmos关闭，输出信号y=vdd=1，但是从vdd到gnd这一个供电回路也没有导通，因此理论上也不存在电流从vdd流到gnd，因此功耗也为0。
c因此可以得出，理论上反相器进行传输信号时，没有功耗（好吧，我们应该这样说：功耗极其地低），这就是为什么使用cmos的工艺的原因。
下面我们来看一下cmos单元的版图：
左边是cmos的电路符号，右边是版图（这个版图先凑合着看），下面来说一下这个版图吧：
首先是从下往上看，金属（蓝色）连接到数字地（vss）上面；白色背景红色虚线边框的p阱区域是为说明，下面的绿色掺杂区域形成的是nmos，上面绿色掺杂区域形成的是pmos；
然后 绿色的掺杂区域 分布在 红色的多晶硅附近，然后多晶硅连在一起（也就是把pmos和nmos的栅极连在一起），然后通过金属引出（那个x表示通孔）为输入vi。
然后下面的nmos的源极通过通孔跟金属连在一起（绿色跟蓝色通过x连在一起）；nmos和pmos的漏极通过通孔连接到同一块金属上面然后当做输出。
pmos的源极通过通孔连接到金属然后连接到了数字电源上。
更加抽象（好看一点）的图如下所示：
版图的基本知识就到这好了，更详细的知识还是查看更专业的书籍吧。
3、cmos门电路
①cmos非门：上面的一个cmos单元的功能就是非门的功能了，因此cmos非门也就是这个cmos的单元，也称为反相器。其电路结构就是反相器的电路结构。
②（二输入）cmos与非门（nand）：
直接上图吧，cmos与非门的电路符号结构如下所示：
（pmos的电路符号栅极处本来应该有个小圈圈，表示低电平有效的）
③（二输入）cmos或非门(nor)的电路符号和工作原理如下所示：
（pmos的电路符号栅极处本来应该有个小圈圈，表示低电平有效的）
数字逻辑电路都可以由上面的三种电路化简构成，也就是说一个电路可以由nand或者nor电路构成，我们来看看他们的特点来推导数字cmos电路的特点。
容易知道（反正我们就当做结论好了）：
反相逻辑门的通用结构如下所示：
此外我们也注意到，使用到与功能的时候，nmos网络是串联的；使用或功能时，nmos网络是并联的。因此可以这么记忆：要noms都一起，才能一起（与），只要nmos其中一个就可以（或），与还是或，可以根据nmos的串并结构判断。
然后设计多少个输入的nxxx门，就把多少个nmos串/并联起来，然后pmos就是并/串就可以了。
4、cmos的功耗表示
功耗是单位时间内消耗的能量，在数字系统中的功耗主要包括静态功耗和动态功耗，我们将从cmos电路角度聊聊静态功耗和动态功耗。
cmos的静态功耗：当cmos不翻转/不工作时的功耗。在cmos都不工作时，也就是晶体管都处于截止状态的时候，从vdd到gnd并不是完全没有电流流过的，还是有些微电流从电源流到地，这个静态电流idd称为电源和地之间的漏电流，跟器件有关（至于漏电流是怎么引起的，这里就不再阐述了）。初中的时候，我们就学过p=ui，因此静态功耗就可以这样表示:
cmos的动态功耗是信号在0和1变化之间，电容充放电所消耗的功耗。我们知道，不仅仅cmos器件有寄生电容，导线间也有电容。将电容c充电到电压vdd所需要的能量cvdd^2。如果电容每秒变换f次（也就是电容的切换频率为f，在一秒内，电容充电f/2次，放电f/2次），由于放电不需要从电源那里获取功耗，因此动态功耗就可以这样表示：
ps：上面主要是列举了一些主要的功耗，比如动态功耗中除了翻转时电容消耗功耗外，还有在栅极信号翻转的时候pmos和nmos同时导通引起的短路功耗。
这里不一一陈述，主要是考虑上面的那两种功耗。也许后面记载低功耗设计的时候会详细说明一下。
威盛电子打造人工智能嵌入式平台，专注于计算机视觉和无人驾驶
比特币勒索病毒再放大招，这些人要注意了！怎样在勒索病毒的攻击下保护好文档？
未来大有可为的智能家居
SPMC65P2408A在空调中的应用
BrainChip与MYWAI建立合作，助力边缘人工智能解决方案
IC设计：CMOS器件及其电路
伺服电机为什么我们要坚持做
人工智能在不同领域中的作用
雷神Dino-X6评测 创新十足略有瑕疵
自动驾驶三大传感器主要优劣介绍
颜色大战还在继续！小米平板3曝光彩色后壳亮了，或与小米6同步
边缘计算在5G网络发展中的重要性
力挺西部数据与铠侠业务合并，日本多家银行承诺提供127亿美元资金
一文了解无线网络系统入门基础知识（什么是AC？什么是AP？什么是POE供电？）
2021年芯片行业面临严峻考验 灵动产品第一季度价格不作调整
华为:终端业务将以手机为中心转向周边辐射
MAX6646,MAX6647,MAX6649精密的、2通道数字温度传感器
陶瓷4D打印的首次实现，有望应用于电子产品与航空发动机领域
c8051f单片机ad采样程序（附详细注释）
可视化彩色腕带，轻松区分手机通知
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。
2、cmos单元电路与版图
在现在工艺中，我们主要使用的是成为cmos（互补型半导体，complementary mos）的工艺，这种工艺主要就是把pmos和nmos这两类晶体管构成一个单元，称为cmos单元或者反相器单元，其结构把pmos和nmos同时集成在一个晶元上然后栅极相连，漏极相连，下面是它的结构图（关于电路符号和功能将在后面讲）：
在上图中，左边是nmos，右边是pmos。a是共连栅极输入，y是共连漏极输出，vdd连接pmos的源极，gnd连接gnd。
下面电路符号图了，上面的那个cmos反相器对于的电路符号图如下所示：
现在我们就来分析一下这个cmos反相器的工作原理来说明这个为什么cmos工艺是主流吧：
a当输入信号a=1时，pmos关断，nmos打开，输出信号y的电压相当于gnd的电压，也就是y=0；在这个过程中，从vdd到gnd这一个供电回路都没有导通，因此理论不存在电流从vdd流到gnd，因此功耗为0.
b当输入信号a=0时，pmos打开，而nmos关闭，输出信号y=vdd=1，但是从vdd到gnd这一个供电回路也没有导通，因此理论上也不存在电流从vdd流到gnd，因此功耗也为0。
c因此可以得出，理论上反相器进行传输信号时，没有功耗（好吧，我们应该这样说：功耗极其地低），这就是为什么使用cmos的工艺的原因。
下面我们来看一下cmos单元的版图：
左边是cmos的电路符号，右边是版图（这个版图先凑合着看），下面来说一下这个版图吧：
首先是从下往上看，金属（蓝色）连接到数字地（vss）上面；白色背景红色虚线边框的p阱区域是为说明，下面的绿色掺杂区域形成的是nmos，上面绿色掺杂区域形成的是pmos；
然后 绿色的掺杂区域 分布在 红色的多晶硅附近，然后多晶硅连在一起（也就是把pmos和nmos的栅极连在一起），然后通过金属引出（那个x表示通孔）为输入vi。
然后下面的nmos的源极通过通孔跟金属连在一起（绿色跟蓝色通过x连在一起）；nmos和pmos的漏极通过通孔连接到同一块金属上面然后当做输出。
pmos的源极通过通孔连接到金属然后连接到了数字电源上。
更加抽象（好看一点）的图如下所示：
版图的基本知识就到这好了，更详细的知识还是查看更专业的书籍吧。
3、cmos门电路
①cmos非门：上面的一个cmos单元的功能就是非门的功能了，因此cmos非门也就是这个cmos的单元，也称为反相器。其电路结构就是反相器的电路结构。
②（二输入）cmos与非门（nand）：
直接上图吧，cmos与非门的电路符号结构如下所示：
（pmos的电路符号栅极处本来应该有个小圈圈，表示低电平有效的）
③（二输入）cmos或非门(nor)的电路符号和工作原理如下所示：
（pmos的电路符号栅极处本来应该有个小圈圈，表示低电平有效的）
数字逻辑电路都可以由上面的三种电路化简构成，也就是说一个电路可以由nand或者nor电路构成，我们来看看他们的特点来推导数字cmos电路的特点。
容易知道（反正我们就当做结论好了）：
反相逻辑门的通用结构如下所示：
此外我们也注意到，使用到与功能的时候，nmos网络是串联的；使用或功能时，nmos网络是并联的。因此可以这么记忆：要noms都一起，才能一起（与），只要nmos其中一个就可以（或），与还是或，可以根据nmos的串并结构判断。
然后设计多少个输入的nxxx门，就把多少个nmos串/并联起来，然后pmos就是并/串就可以了。
4、cmos的功耗表示
功耗是单位时间内消耗的能量，在数字系统中的功耗主要包括静态功耗和动态功耗，我们将从cmos电路角度聊聊静态功耗和动态功耗。
cmos的静态功耗：当cmos不翻转/不工作时的功耗。在cmos都不工作时，也就是晶体管都处于截止状态的时候，从vdd到gnd并不是完全没有电流流过的，还是有些微电流从电源流到地，这个静态电流idd称为电源和地之间的漏电流，跟器件有关（至于漏电流是怎么引起的，这里就不再阐述了）。初中的时候，我们就学过p=ui，因此静态功耗就可以这样表示:
cmos的动态功耗是信号在0和1变化之间，电容充放电所消耗的功耗。我们知道，不仅仅cmos器件有寄生电容，导线间也有电容。将电容c充电到电压vdd所需要的能量cvdd^2。如果电容每秒变换f次（也就是电容的切换频率为f，在一秒内，电容充电f/2次，放电f/2次），由于放电不需要从电源那里获取功耗，因此动态功耗就可以这样表示：
ps：上面主要是列举了一些主要的功耗，比如动态功耗中除了翻转时电容消耗功耗外，还有在栅极信号翻转的时候pmos和nmos同时导通引起的短路功耗。
这里不一一陈述，主要是考虑上面的那两种功耗。也许后面记载低功耗设计的时候会详细说明一下。
威盛电子打造人工智能嵌入式平台，专注于计算机视觉和无人驾驶
比特币勒索病毒再放大招，这些人要注意了！怎样在勒索病毒的攻击下保护好文档？
未来大有可为的智能家居
SPMC65P2408A在空调中的应用
BrainChip与MYWAI建立合作，助力边缘人工智能解决方案
IC设计：CMOS器件及其电路
伺服电机为什么我们要坚持做
人工智能在不同领域中的作用
雷神Dino-X6评测 创新十足略有瑕疵
自动驾驶三大传感器主要优劣介绍
颜色大战还在继续！小米平板3曝光彩色后壳亮了，或与小米6同步
边缘计算在5G网络发展中的重要性
力挺西部数据与铠侠业务合并，日本多家银行承诺提供127亿美元资金
一文了解无线网络系统入门基础知识（什么是AC？什么是AP？什么是POE供电？）
2021年芯片行业面临严峻考验 灵动产品第一季度价格不作调整
华为:终端业务将以手机为中心转向周边辐射
MAX6646,MAX6647,MAX6649精密的、2通道数字温度传感器
陶瓷4D打印的首次实现，有望应用于电子产品与航空发动机领域
c8051f单片机ad采样程序（附详细注释）
可视化彩色腕带，轻松区分手机通知