CMOS到底是怎麼工作的

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本文來源於公眾號「半導體產業園」

在現代集成電路設計中，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）是最基本的單元，我們在新聞中經常會遇到這樣的描述「在這個1平方厘米的晶元上，集成了10億個晶體管」，其中一個最基本的CMOS就是一個晶體管。我們這一期就了解一下關於CMOS的工作原理。由於CMOS是一個比較複雜的一部分，所以我只是從原理上來和大家聊，不涉及到任何物理公式，數學曲線等等，只是聊一下最最基本的東西，只定性，不定量。

我們在上一期中了解了，半導體分為N型半導體和P型半導體。N型半導體裡面有可以隨風飄走的自由電子，P型半導體裡面有可以隨風飄的空穴（還是那句話，只是相對的），我們在這裡為了方便描述，只用N型半導體來說明。

舉個例子：

水龍頭都見過吧，長這樣。

水流方向從左邊流向右邊，上面有一個開關，擰下去的時候水流停止，擰上去的時候水流打開。左邊是水流的源頭我們給它起個名字，叫做源端（就是源頭的意思嘛），右邊是水流出去的地方，也就是說水都從這個地方漏出去了，我們也給它起個名字叫做漏端。上面的開關控制著有沒有水從源端流到漏端，像是一個柵欄一樣，如果這個柵欄放下來，就阻斷了水流的流向，如果放上去，正好相反，那我們也給它起個名字，叫做柵端（但是，這裡如果讀作zha四聲，那就太難聽了，查了一下新華字典，這個字還可以讀作shan一聲，這樣就好聽多了，所以我們一律讀shan一聲）。其實柵端不僅僅控制有沒有水流，還要控制水流的大小。那怎麼控制呢，細心的人會發現開關上有螺紋，可以控制這個柵欄下去的深度，從而達到控制水流大小的目的，這樣就避免了我輕輕一碰開關，水流就直接流出來的尷尬。這就是水龍頭的工作原理，我們可以將這個圖片再簡化一下。如下

當我們對柵端施加一個壓力時，會控制水流大小從源端流向漏端。

但是這裡要注意，這裡有三個狀態，沒有水的狀態，很小水量的狀態（因為柵端壓力太小，沒有完全打開），水量充足狀態（柵端壓力已經把柵欄完全打開）。

CMOS原理：

其實聊到這裡我們已經了解了CMOS的工作原理，怎麼？還不明白?那好吧，我們再換個名字，比如這樣。

在N型半導體中，在源端和漏端打入N型材料，如果在源端接地（0V），在漏端接一個相對較大的正電壓，那麼電子流根據異性相吸的原則也會從源端流向漏端。你可能會問，那柵端的作用是啥呢？其實柵端的作用和水龍頭一樣，控制著有沒有電子流或者電子流的大小。我們再畫個圖

當我們在柵端加一個正電壓時，源端的電子流和柵端的左側靠的進，所以源端的電子流首先往右上角走（因為二氧化硅是純絕緣體，所以不會有源端的電子跑到上面去）。當柵端的電壓越大時，電子就越往右，直到當柵端電壓大於某個值時，源端的電子流可以流到漏端了。這樣電子流就有一個完整的通路了。只要源，柵，漏端的電壓不變，電子流會源源不斷的從源端到漏端，就形成下面這個圖的樣子~

我們再起個名字吧，這個通路叫做溝道（紅色部分）。當電子流剛剛到達漏端時，柵端所加的電壓值叫做閥值電壓。因為這一堆結構要有一個載體（總不能懸浮在空中吧），所以我們選擇P型矽片作為襯底，漏端和源端是在這個襯底上形成的。

同樣的，這個過程也有三個狀態與上面的水龍頭模型對應，完全沒有電流狀態，很小電流狀態和電流充足狀態。我們把這三個狀態分別起個名字，叫做截止區，線性區和飽和區（我覺得到這裡就可以了~不用再深入了，如果還想了解更清楚的朋友，請留言）。

PS：這裡還有反型層和耗盡層的概念，但是我覺得對於不是行業內的人來講來說，有點難，暫時不涉及。如果有需要請留言，我再繼續聊這部分內容。

CMOS的主要參數：

其實CMOS的主要參數太多了，而且單獨有一本書講CMOS器件的，所以我在這裡就挑幾個最最重要的來說明一下，什麼寄生電阻，寄生電容，雜訊之類的完全不在我們的聊天內容當中。

• 二氧化硅的厚度:如果理解上面水龍頭的例子，我們會知道，螺紋的大小控制著多大壓力時才有水流，或者水流的大小。這裡的二氧化硅的厚度也決定了柵極電壓是多大時產生溝道電流，以及打開溝道後溝道電流的大小。
• 溝道電流的大小：也就是水流的大小，在使用水龍頭的時候，我們用戶最關心的是水流的大小。同理，CMOS在形成溝道電流後，這個電流的大小也至關重要。
• 柵，漏，源的電壓關係：這三者的關係直接決定了這個CMOS工作在什麼狀態。

我暫時想到就這麼多，當然還有很多參數必須要了解工藝流程後才能聊，我們下一期再了解一下CMOS在foundry是怎麼形成的。以及它主要涉及到的參數，我相信你看完這一片之後，對於一個不是半導體行業人來講，完全足夠了~

本文首發：公眾號「半導體產業園」

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