在现代集成电路设计中，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）是最基本的单元，我们在新闻中经常会遇到这样的描述“在这个1平方厘米的芯片上，集成了10亿个晶体管”，其中一个最基本的CMOS就是一个晶体管。我们这一期就了解一下关于CMOS的工作原理。由于CMOS是一个比较复杂的一部分，所以我只是从原理上来和大家聊，不涉及到任何物理公式，数学曲线等等，只是聊一下最最基本的东西，只定性，不定量。
我们在上一期中了解了，半导体分为N型半导体和P型半导体。N型半导体里面有可以随风飘走的自由电子，P型半导体里面有可以随风飘的空穴（还是那句话，只是相对的），我们在这里为了方便描述，只用N型半导体来说明。
举个例子：
水龙头都见过吧，长这样。
水流方向从左边流向右边，上面有一个开关，拧下去的时候水流停止，拧上去的时候水流打开。左边是水流的源头我们给它起个名字，叫做源端（就是源头的意思嘛），右边是水流出去的地方，也就是说水都从这个地方漏出去了，我们也给它起个名字叫做漏端。上面的开关控制着有没有水从源端流到漏端，像是一个栅栏一样，如果这个栅栏放下来，就阻断了水流的流向，如果放上去，正好相反，那我们也给它起个名字，叫做栅端（但是，这里如果读作zha四声，那就太难听了，查了一下新华字典，这个字还可以读作shan一声，这样就好听多了，所以我们一律读shan一声）。其实栅端不仅仅控制有没有水流，还要控制水流的大小。那怎么控制呢，细心的人会发现开关上有螺纹，可以控制这个栅栏下去的深度，从而达到控制水流大小的目的，这样就避免了我轻轻一碰开关，水流就直接流出来的尴尬。这就是水龙头的工作原理，我们可以将这个图片再简化一下。如下
水龙头的简化模型
当我们对栅端施加一个压力时，会控制水流大小从源端流向漏端。
但是这里要注意，这里有三个状态，没有水的状态，很小水量的状态（因为栅端压力太小，没有完全打开），水量充足状态（栅端压力已经把栅栏完全打开）。
CMOS原理：
其实聊到这里我们已经了解了CMOS的工作原理，怎么？还不明白?那好吧，我们再换个名字，比如这样。
在N型半导体中，在源端和漏端打入N型材料，如果在源端接地（0V），在漏端接一个相对较大的正电压，那么电子流根据异性相吸的原则也会从源端流向漏端。你可能会问，那栅端的作用是啥呢？其实栅端的作用和水龙头一样，控制着有没有电子流或者电子流的大小。我们再画个图
当我们在栅端加一个正电压时，源端的电子流和栅端的左侧靠的进，所以源端的电子流首先往右上角走（因为二氧化硅是纯绝缘体，所以不会有源端的电子跑到上面去）。当栅端的电压越大时，电子就越往右，直到当栅端电压大于某个值时，源端的电子流可以流到漏端了。这样电子流就有一个完整的通路了。只要源，栅，漏端的电压不变，电子流会源源不断的从源端到漏端，就形成下面这个图的样子~
我们再起个名字吧，这个通路叫做沟道（红色部分）。当电子流刚刚到达漏端时，栅端所加的电压值叫做阀值电压。因为这一堆结构要有一个载体（总不能悬浮在空中吧），所以我们选择P型硅片作为衬底，漏端和源端是在这个衬底上形成的。
同样的，这个过程也有三个状态与上面的水龙头模型对应，完全没有电流状态，很小电流状态和电流充足状态。我们把这三个状态分别起个名字，叫做截止区，线性区和饱和区（我觉得到这里就可以了~不用再深入了，如果还想了解更清楚的朋友，请留言）。
PS：这里还有反型层和耗尽层的概念，但是我觉得对于不是行业内的人来讲来说，有点难，暂时不涉及。如果有需要请留言，我再继续聊这部分内容。
CMOS的主要参数：
其实CMOS的主要参数太多了，而且单独有一本书讲CMOS器件的，所以我在这里就挑几个最最重要的来说明一下，什么寄生电阻，寄生电容，噪声之类的完全不在我们的聊天内容当中。
· 二氧化硅的厚度:如果理解上面水龙头的例子，我们会知道，螺纹的大小控制着多大压力时才有水流，或者水流的大小。这里的二氧化硅的厚度也决定了栅极电压是多大时产生沟道电流，以及打开沟道后沟道电流的大小。
· 沟道电流的大小：也就是水流的大小，在使用水龙头的时候，我们用户最关心的是水流的大小。同理，CMOS在形成沟道电流后，这个电流的大小也至关重要。
· 栅，漏，源的电压关系：这三者的关系直接决定了这个CMOS工作在什么状态。
我暂时想到就这么多，当然还有很多参数必须要了解工艺流程后才能聊，我们下一期再了解一下CMOS在foundry是怎么形成的。以及它主要涉及到的参数，我相信你看完这一片之后，对于一个不是半导体行业人来讲，完全足够了~
发表评论 取消回复