电工电子综述CMOS集成电路.docx

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电工电子综述CMOS集成电路

CMOS集成电路

摘要：

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

CMOS集成电路是目前大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路中广泛应用的一种电路结构，相对于传统的双极型、NMOS和PMOS集成电路而言，其在功率消耗、噪声抑制等方面具有明显的优势。

关键词：

CMOS集成电路优势工作原理防护措施

一、CMOS集成电路简介

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。

有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。

CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。

CMOSROM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。

而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。

BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。

因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。

早期的CMOS是一块单独的芯片MC146818A（DIP封装），共有64个字节存放系统信息。

386以后的微机一般将MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中（如82C206，PQFP封装），586以后主板上更是将CMOS与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做DALLDADS1287的芯片中。

随着微机的发展、可设置参数的增多，现在的CMOSROM一般都有128字节及至256字节的容量。

为保持兼容性，各BIOS厂商都将自己的BIOS中关于CMOSROM的前64字节内容的设置统一与MC146818A的CMOSROM格式一致，而在扩展出来的部分加入自己的特殊设置，所以不同厂家的BIOS芯片一般不能互换，即使是能互换的，互换后也要对CMOS信息重新设置以确保系统正常运行。

1963年，仙童半导体（FairchildSemiconductor）的FrankWanlass发明了CMOS电路。

到了1968年，美国无线电公司（RCA）一个由亚伯·梅德温（AlbertMedwin）领导[1]的研究团队成功研发出第一个CMOS集成电路（IntegratedCircuit）。

早期的CMOS元件虽然功率消耗比常见的晶体管-晶体管逻辑电路（Transistor-to-TransistorLogic,TTL）要来得低，但是因为操作速度较慢的缘故，所以大多数应用CMOS的场合都和降低功耗、延长电池使用时间有关，例如电子表。

不过经过长期的研究与改良，今日的CMOS元件无论在使用的面积、操作的速度、耗损的功率，以及制造的成本上都比另外一种主流的半导体制程BJT（BipolarJunctionTransistor，双载子晶体管）要有优势，很多在BJT无法实现或是成本太高的设计，利用CMOS皆可顺利的完成。

　　早期分离式CMOS逻辑元件只有“4000系列”一种（RCA'COS/MOS'制程），到了后来的“7400系列”时，很多逻辑芯片已经可以利用CMOS、NMOS，甚至是BiCMOS（双载子互补式金氧半）制程实现。

　　早期的CMOS元件和主要的竞争对手BJT相比，很容易受到静电放电（ElectroStaticDischarge,ESD）的破坏。

而新一代的CMOS芯片多半在输出入接脚（I/Opin）和电源及接地端具备ESD保护电路，以避免内部电路元件的闸极或是元件中的PN接面（PN-Junction）被ESD引起的大量电流烧毁。

不过大多数芯片制造商仍然会特别警告使用者尽量使用防静电的措施来避免超过ESD保护电路能处理的能量破坏半导体元件，例如安装内存模组到个人电脑上时，通常会建议使用者配戴防静电手环之类的设备。

　　此外，早期的CMOS逻辑元件（如4000系列）的操作范围可由3伏特至18伏特的直流电压，所以CMOS元件的闸极使用铝做为材料。

而多年来大多数使用CMOS制造的逻辑芯片也多半在TTL标准规格的5伏特底下操作，直到1990年后，有越来越多低功耗的需求与讯号规格出现，取代了虽然有着较简单的讯号接口、但是功耗与速度跟不上时代需求的TTL。

此外，随着MOSFET元件的尺寸越做越小，闸极氧化层的厚度越来越薄，所能承受的闸极电压也越来越低，有些最新的CMOS制程甚至已经出现低于1伏特的操作电压。

这些改变不但让CMOS芯片更进一步降低功率消耗，也让元件的性能越来越好。

　　近代的CMOS闸极多半使用多晶硅制作。

和金属闸极比起来，多晶硅的优点在于对温度的忍受范围较大，使得制造过程中，离子布值（ionimplantation）后的退火（anneal）制程能更加成功。

此外，更可以让在定义闸极区域时使用自我校准（self-align）的方式，这能让闸极的面积缩小，进一步降低杂散电容（straycapacitance）。

2004年后，又有一些新的研究开始使用金属闸极，不过大部分的制程还是以多晶硅闸极为主。

关于闸极结构的改良，还有很多研究集中在使用不同的闸极氧化层材料来取代二氧化硅，例如使用高介电系数介电材料（high-Kdielectric），目的在于降低闸极漏电流（leakagecurrent）。

　　CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。

由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截止，比线性的三极管（BJT）效率要高得多，因此功耗很低，因此，计算机里一个纽扣电池就可以给它长时间地提供电力。

　　在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。

有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是CPU中的一块只读的ROM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。

CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。

在今日，CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件，尤其是片幅规格较大的单眼数码相机。

虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数码讯号输出。

CMOS集成电路是目前大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路中广泛应用的一种电路结构，相对于传统的双极型、NMOS和PMOS集成电路而言，其在功率消耗、噪声抑制等方面具有明显的优势。

1.功耗低

CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。

实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。

单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。

2.工作电压范围宽

CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。

国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。

3.逻辑摆幅大

CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。

当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。

因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。

4.抗干扰能力强

CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。

随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。

对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。

5.输入阻抗高

CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。

6.温度稳定性能好

由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。

一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55~+125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45~+85℃。

7.扇出能力强

扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。

由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度一般可以驱动50个以上的输入端。

8.抗辐射能力强

CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。

各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。

9.可控性好

CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。

10.接口方便

因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。

二、CMOS集成电路的工作原理

下面我们通过CMOS集成电路中的一个最基本电路-反相器（其他复杂的CMOS集成电路大多是由反相器单元组合而成）入手，分析一下它的工作过程。

利用一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管互补连接就构成了一个最基本的反相器单元电路如附图所示。

图中VDD为正电源端，VSS为负电源端。

电路设计采用正逻辑方法，即逻辑“1”为高电平，逻辑“0”为低电平。

附图中，当输入电压VI为底电平“0”（VSS）时，N沟道MOS管的栅-源电压VGSN=0V（源极和衬底一起接VSS），由于是增强型管，所以管子截止，而P沟道MOS管的栅-源电压VGSN=VSS—VDD。

若|VSS—VDD|>|VTP|（MOS管开启电压），则P沟道MOS管导通，所以输出电压V0为高电平“1”（VDD），实现了输入和输出的反相功能。

当输入电压VI为底电平“1”（VDD）时，VGSN=（VDD—VSS）。

若（VDD—VSS）>VGSN，则N沟道MOS管导通，此时VGSN=0V，P沟道MOS管截止，所以输出电压V0为低电平“0”（VSS），与VI互为反相关系。

由上述分析可知，当输入信号为“0”或“1”的稳定状态时，电路中的两个MOS管总有一个处于截止状态，使得VDD和VSS之间无低阻抗直流通路，因此静态功耗极小。

这便是CMOS集成电路最主要的特点。

三、CMOS集成电路应用常识

电路的极限范围

CMOS集成电路在使用过程中是不允许在超过极限的条件下工作的。

当电路在超过最大额定值条件下工作时，很容易造成电路损坏，或者使电路不能正常工作。

应当指出的是：

CMOS集成电路虽然允许处于极限条件下工作，但此时对电源设备应采取稳压措施。

这是因为当供电电源开启或关闭时，电源上脉冲波的幅度很可能超过极限值，会将电路中各MOS晶体管电极之间击穿。

上述现象有时并不呈现电路失效或损坏现象，但有可能缩短电路的使用寿命，或者在芯片内部留下隐患，使电路的性能指标逐渐变劣。

工作电压、极性及其正确选择

在使用CMOS集成电路时，工作电压的极性必须正确无误，如果颠倒错位，在电路的正负电源引出端或其他有关功能端上，只要出现大于0.5V的反极性电压，就会造成电路的永久失效。

虽然CMOS集成电路的工作电压范围很宽，如CC4000系列电路在3~18V的电源电压范围内都能正常工作，当使