CMOS

CMOS，即互补金属氧化物半导体，是NMOS和PMOS晶体管的组合，工作时受外加电场控制。CMOS结构最初是为了高密度和低功耗的逻辑门而开发的。

NMOS和PMOS是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的类型。CMOS晶体管用于各种应用，例如放大器、开关电路、逻辑电路、集成电路芯片、微处理器等。

CMOS在半导体技术中的重要性在于其低功耗和低工作电流。与双极结型晶体管相比，其制造步骤更少。

如前所述，CMOS是NMOS和PMOS晶体管的组合。在开始介绍CMOS之前，我们先简要介绍一下NMOS和PMOS晶体管。

NMOS

NMOS晶体管的符号如下所示

n沟道MOSFET称为NMOS。它具有P型衬底，其中多数载流子是空穴。n沟道具有多数载流子电子。电子的流动速度比空穴快。因此，NMOS晶体管比PMOS晶体管速度更快。

PMOS

PMOS晶体管的符号如下所示

p沟道MOSFET称为PMOS。它具有N型衬底，其中多数载流子是电子。当在PMOS的栅极施加负电压时，它会排斥电子。空穴的吸引会形成称为p沟道的沟道。沟道形成在源极和漏极之间。

空穴的缓慢流动使得PMOS的电流控制过程比NMOS晶体管更容易。

CMOS连接设置

CMOS晶体管的实际构造如下图所示

它包括源极和漏极端子为N++区域且具有P型衬底的NMOS晶体管。同样，PMOS晶体管具有两个P++区域和一个N型衬底。

CMOS的工作原理

所示结构由顶部倒置在PMOS晶体管上的NMOS晶体管组成。衬底是P型，具有三个N++区域。两个N++区域较小，第三个N++区域较大。两个较小的区域是NMOS晶体管的一部分，而第三个N++区域是PMOS晶体管的一部分。两个P++区域扩散到较大的N++区域中形成PMOS晶体管。顶面受到二氧化硅层（SiO2）的保护和覆盖，并带有铝金属化。

CMOS在开关应用中具有最低的功耗。这是因为当一个晶体管处于关断状态时，另一个晶体管就处于导通状态。例如，如果PMOS导通，NMOS晶体管将处于关断状态。

VDD电压值通常选择在5V到15V之间。

CMOS的符号如下所示

在此，G、S和D分别表示NMOS和PMOS的**栅极、源极**和**漏极**端子。

CMOS的实际构造如下所示

让我们考虑CMOS的两种状态，当输入电压（A）为0和1时。

a) 上图中，A是馈送到NMOS和PMOS晶体管的**输入电压**。当输入电压（A）= 0V时，PMOS**导通**，NMOS将保持**关断**状态。当A为0时，A'将变为1。让我们像下面这样用NO和NC开关来表示这种情况。

这意味着输出电压被视为逻辑1，因为PMOS开关是闭合的，而底部的NMOS开关是断开的。

b) 类似地，当输入电压A = 1时，A'将为0。在这种状态下，PMOS将**关断**，NMOS将**导通**。这种情况如下所示

这意味着当输入为1时输出为0。由于PMOS开关是断开的，NMOS开关是闭合的，因此输出电压被视为逻辑0。

CMOS逻辑门

CMOS逻辑门由NMOS和PMOS场效应晶体管组合制造。对于NMOS逻辑门，我们通常使用NMOS耗尽型晶体管作为负载电阻。在CMOS逻辑门中，我们使用互补结构，其中一个晶体管充当另一个晶体管的负载。

NMOS晶体管被设计为工作为正逻辑元件，而PMOS工作为负逻辑元件。这意味着CMOS中的两个晶体管都执行互补的逻辑功能。

CMOS逻辑门的特点

CMOS逻辑门的特点如下

• 成本降低，因为它只需要一个电源。
• 逻辑摆幅大。
• 扇出能力强。
• 噪声容限非常高。
• 传播延迟低
• 与NMOS晶体管相比速度快。
• 功耗低。
• 优异的温度稳定性。
• 封装密度较低。

CMOS逻辑门类型

互补金属氧化物半导体分为

• CMOS反相器
• CMOS NAND
• CMOS NOR
• CMOS运算放大器

CMOS反相器

CMOS反相器通过将PMOS和NMOS晶体管级联连接形成，如下图所示

CMOS反相器的顶部是PMOS晶体管，而底部的晶体管是NMOS。NMOS晶体管栅极输入的**+VDD**正电压会使其导通，而PMOS晶体管栅极输入的相同正电压会使其保持关断。类似地，NMOS晶体管栅极输入的0伏电压会使其保持关断，而PMOS晶体管栅极输入的相同0电压会使其导通。

这意味着NMOS传输逻辑1或VDD，而PMOS传输逻辑0。

CMOS NAND

CMOS NAND是**NMOS NAND**和**PMOS NOR**的组合。它包含一个NMOS NAND门，其负载为PMOS NOR。CMOS NAND门也可以包含PMOS NOR，其负载为NMOS NAND。这意味着通过以所需方式组合NMOS和PMOS晶体管可以形成CMOS逻辑门。

CMOS NAND的电路图如下所示

如上所示，晶体管的输入端为A和B。如果A=0且B=0，NMOS晶体管将保持关断，两个PMOS晶体管将导通。

考虑下面的NOR表

这清楚地表明，当两个输入都为0时，输出为1。因此，PMOS NOR将导通。输出Y将为

Y = 逻辑1 = VDD

类似地，当两个输入都为1时，NMOS NAND将导通，PMOS NOR将保持关断。但是，由于电力将通过到地，输出将为0。

考虑下面的CMOS NAND表

CMOS NOR

CMOS NOR逻辑门是NMOS NOR和PMOS NAND的组合。电路图如下所示

当两个输入A和B都为0时，NMOS NOR将保持关断，PMOS NAND将导通。这意味着晶体管T1和T2将关断，而T3和T4将导通。因此，当VDD电压通过T3和T4晶体管的导通时，输出将为逻辑1。

如上所述，CMOS NOR仅在两个输入都为0时导通。在所有其他输入条件下，输出将为0，如下列表所示

CMOS运算放大器

当工作点固定在有源区时，CMOS结构也可以用作放大器。

让我们以使用恒流源的CMOS差分放大器为例。

CMOS的优点

下面列出了互补金属氧化物半导体的优点

• 功耗极低
  除了开关瞬间，从晶体管正端到负端在整个电路中没有连续的电流路径。因此，功耗最低。
• 降低电路复杂度
  CMOS所需的组件更少，从而降低了电路复杂度。
• 产生的热量很少
  与NMOS和TTL（晶体管-晶体管逻辑）等其他晶体管相比，CMOS产生的热量明显更少。其他晶体管即使在稳定状态下也存在一些静止电流，而CMOS则没有。
• 低静态功耗
  在理想状态下，CMOS的功耗几乎为零或不消耗功率，与其他电路相比。这意味着它只在切换时消耗功率。较低的功耗导致较低的功率消耗。因此，CMOS的静态功耗非常低。
• 温度稳定性
  与其他逻辑电路（如TTL）相比，CMOS系列在更宽的温度范围内稳定。CMOS的工作范围约为-55摄氏度至125摄氏度，而TTL为25至70摄氏度。
• 改进的抗噪声能力
  抗噪声能力是指系统在存在噪声干扰时运行的能力。与其他逻辑系列的电路相比，CMOS的抗噪声能力最高。因此，在高噪声汽车应用中非常受欢迎。
• 高扇出
  扇出指定了由另一个门的输出驱动的输入门数。这意味着可以连接到输出门的特定类型输入门的最高数量。扇出特性测量逻辑门的负载驱动能力。因此，CMOS具有高扇出。

CMOS的应用

CMOS的应用如下

• 集成电路
  与TTL等其他逻辑器件相比，CMOS消耗的电流更少。因此，CMOS在集成电路应用中的使用实现了低功耗和低功耗IC的生产。
• 芯片设计
  CMOS在芯片设计中的应用使得高密度逻辑功能能够集成到芯片上。
• 微处理器设计
  CMOS仅在切换状态时需要电流。这意味着CMOS高效地使用电源。因此，CMOS被用于大多数现代处理器，如微处理器。
• ASIC设计
  ASIC代表专用集成电路。CMOS被认为是制造芯片的标准晶体管。因此，它用于ASIC设计。
• CPU内存
  CMOS的两个主要优点是高抗噪声能力和低静态功耗。因此，它被用于CPU（中央处理器）内存。

CMOS与NMOS

为了更好地理解，让我们讨论一下CMOS和NMOS之间的一些区别。这将帮助我们分析这两种晶体管在电子产品中的应用。