CMOS到底是怎麼工作的

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

水龍頭的簡化模型

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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