二、CMOS晶体管基础
CMOS基础及基本工艺流程
CMOS基础及基本工艺流程
1.单晶硅衬底制备：首先需要准备单晶硅衬底，它是整个集成电路的
基础。
这一步骤通常会涉及硅片切割和粗化，最终得到大小合适的硅衬底。
2.外延生长：在单晶硅衬底上外延生长蓝宝石或氮化硅等薄膜，这些
薄膜将作为隔离层使用，以电隔离各个晶体管。
3.门电极制备：在隔离层上制备门电极。
通常使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等技术，在薄膜上沉积一层金属，如铝或钨。
4.掺杂：利用掺杂技术向单晶硅衬底中注入掺杂物（例如硼或磷），
以改变硅的电子特性。
5.晶体管制备：利用光刻技术定义出晶体管的结构，通过曝光、阻挡、显影等步骤，制造出源极、栅极和漏极之间的结构。
6.金属互连：使用金属沉积和光刻技术，在晶体管上制造出金属互连层，将各个晶体管连接在一起。
7.电介质和过程模拟：制备电介质层，通常使用氧化硅或氧化铝等材料。
过程模拟是为了检测制造过程中的缺陷和问题。
8.上下电极制备：制造上下电极用于晶体管之间的连接。
9.晶体管测试：测试晶体管的性能和可靠性。
10.封装和测试：最后，将制造好的芯片封装成集成电路，并进行最
终的测试。
以上是CMOS基本工艺流程的主要步骤，每个步骤都需精确控制和复杂操作，以确保芯片的性能和可靠性。
CMOS技术由于其功耗低、稳定性好和集成度高等优点，被广泛应用于各种电子设备中，如微处理器、存储器、传感器等。
cmos电路和器件基本结构
cmos电路和器件基本结构CMOS电路和器件基本结构一、引言CMOS（亦称为互补金属-氧化物-半导体）电路是一种常用的逻辑电路，它由NMOS（N型金属-氧化物-半导体）和PMOS（P型金属-氧化物-半导体）两种互补型的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）组成。
CMOS电路以其低功耗、高集成度和低电压操作等特点，在现代集成电路设计中得到广泛应用。
本文将介绍CMOS电路和器件的基本结构。
二、CMOS电路的基本结构1. NMOS器件NMOS器件由P型衬底上生长的N型沟道和两个掺入P型源极和漏极的P型扩散区组成。
沟道区域上方由一层薄的氧化硅（SiO2）作为绝缘层，上面再覆盖一层金属（通常为铝）作为电极。
当沟道区没有电压施加时，NMOS处于截止状态，导通状态需要在沟道区施加正电压。
2. PMOS器件PMOS器件与NMOS器件相反，由N型衬底上生长的P型沟道和两个掺入N型源极和漏极的N型扩散区组成。
沟道区域上方同样有一层氧化硅和金属电极。
当沟道区施加负电压时，PMOS处于导通状态，截止状态需要在沟道区施加正电压。
3. CMOS电路CMOS电路是通过将NMOS和PMOS器件相互串联或并联而构成的。
在CMOS电路中，NMOS器件的漏极与PMOS器件的源极相连，共同组成电路的输出端；NMOS器件的源极与PMOS器件的漏极相连，共同组成电路的输入端。
当输入信号施加到NMOS和PMOS器件上时，根据不同的输入信号电平，其中一个器件处于导通状态，另一个器件处于截止状态，从而实现电路的逻辑功能。
三、CMOS电路的工作原理CMOS电路的工作原理是基于MOSFET的三个重要特性：沟道截止、沟道饱和和门极电势控制。
当输入信号为低电平时，NMOS处于导通状态，PMOS处于截止状态，此时电路输出为高电平；当输入信号为高电平时，NMOS处于截止状态，PMOS处于导通状态，此时电路输出为低电平。
由于CMOS电路的输出仅在输入发生变化时才会改变，且输出信号的上升和下降均经过一个NMOS和一个PMOS器件，因此CMOS电路具有较低的功耗和较高的抗噪声能力。
第2章 CMOS电路设计基础
2.2 MOS晶体管开关
CMOS简介 MOS晶体管(金属-氧化物-半导体场效应管)是构 成CMOS电路的基本元件，可分为NMOS和 PMOS晶体管两种。 NMOS晶体管和PMOS晶体管组合在一起，两者 互为补充，构成互补MOS(CMOS)。其实CMOS 是芯片的一种制作工艺。
2.2 MOS晶体管开关
两输入或非门电路图及逻辑符号
2.3.4 CMOS传输门
通过将一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管 并联构成的，晶体管的源极和漏极作为信号线来使 用，栅极分别连接控制信号
传输门的电路图及逻辑符号图
传输门
当S=0时，NMOS晶体管截止，此时 =1， PMOS晶体管也截止，传输门断开，输入信号送 不到输出 当S=1时，NMOS晶体管导通，此时 =0， PMOS晶体管也导通，传输门导通，输入信号可 以传送到输出
与非门的尺寸标注
2.3.3 CMOS或非门
当所给条件中的一个或一个以上被满足时，结 果就不能实现，这种逻辑关系就是“或非”关系。 或非门(NOR)就是实现“或非”逻辑关系的门电路
两输入或非门的真值表
IN1 0 0 1 1 IN2 0 1 0 1 OUT 1 0 0 0
或非门 当两个输入同时为“0”的时候，输出为“1”，这 可以通过将两个PMOS晶体管串联来实现 当有一个输入为“1”的时候，输出为“0”，这可 以通过将两个NMOS晶体管并联来实现
晶体管和电子管比较
④晶体管结实可靠，比电子管可靠100倍，耐冲 击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。
⑤另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到 百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、 可靠的电路。
2. 晶体管的分类
按半导体材料：硅、锗 按极性：NPN, PNP 按结构及制造工艺：扩散型晶体管、合金型晶体 管和平面型晶体管 双极型晶体管，场效应管
CMOS集成电路设计基础
CMOS集成电路设计基础CMOS（亦称互补金属氧化物半导体）是一种常用的集成电路设计技术，它在数字电路中广泛使用。
本文将详细介绍CMOS集成电路设计的基础知识。
CMOS电路是由PMOS（P型金属氧化物半导体）和NMOS（N型金属氧化物半导体）晶体管组成的。
PMOS和NMOS的工作原理相反，当输入信号为高电平时，PMOS开关导通，NMOS截断；当输入信号为低电平时，PMOS截断，NMOS导通。
通过PMOS和NMOS的结合，可以实现高度集成的数字电路。
CMOS电路的优势主要体现在以下几个方面：1.功耗低：由于CMOS电路只有在切换时才消耗功耗，因此静态功耗基本可以忽略不计。
而且CMOS在开关时的功耗也非常低。
2.噪声低：CMOS电路的输出电平会受到两个晶体管开关阈值的影响，这样可以减小由于电流变化而引起的噪声。
3.集成度高：CMOS电路可以实现非常高的集成度，因为它的结构非常简单，只需要两种类型的晶体管。
1.逻辑门设计：逻辑门是CMOS电路的基本单元，它可以实现与门、或门、非门等逻辑运算。
逻辑门的设计要考虑功耗、速度和面积等因素。
2.布局设计：布局设计是将逻辑门按照一定的规则进行布置，以实现电路的高集成度和高性能。
布局设计需要考虑晶体管的相互影响，以及电路的信号延迟等因素。
3.时序设计：时序设计是指在设计中考虑到电路的时序特性，以满足时序约束。
时序设计需要考虑时钟频率、延迟等因素，以确保电路的正确操作。
4.电源和地设计：CMOS电路需要提供稳定的电源和地，以确保电路的正常运行。
电源和地的设计需要考虑电源噪声、电源提供能力等因素。
总之，CMOS集成电路设计基础知识包括逻辑门设计、布局设计、时序设计和电源地设计等方面。
了解这些基础知识，可以帮助我们理解和设计复杂的CMOS集成电路，提高电路的性能和可靠性。
cmos晶体管原理
cmos晶体管原理CMOS晶体管原理什么是CMOS晶体管CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）晶体管是一种常用于数字集成电路中的半导体器件。
它由P型沟道MOSFET（PMOS）和N型沟道MOSFET（NMOS）组成。
CMOS的基本原理CMOS晶体管的基本原理是利用P型和N型MOSFET的互补特性，实现器件的低功耗、高集成度和高可靠性。
P型MOSFET•噪声：P型MOSFET受控极为基区，电流由基区中的电子恢复时间决定，因此噪声较大。
•寿命：电荷注入效应会导致电子在基区游离，造成寿命的降低。
N型MOSFET•噪声：N型MOSFET的噪声较小，因为电流由电子决定，而电子的恢复时间较短。
•寿命：寿命较长，因为电子注入基区不会关联到电子的迁移。
互补特性CMOS晶体管由P型和N型MOSFET组成，因此能够克服P型和N 型MOSFET各自的缺点，实现高性能和低功耗的优势。
CMOS工作原理CMOS晶体管工作分为两个阶段：开关阶段和恢复阶段。
开关阶段在开关阶段，当输入信号为高电平时，P型MOSFET导通，N型MOSFET截止；当输入信号为低电平时，P型MOSFET截止，N型MOSFET 导通。
这样就实现了输出信号的高低电平反转。
恢复阶段在恢复阶段，当输入信号经过传输延时后，P型MOSFET和N型MOSFET同时切换状态，完成信号的恢复。
CMOS的应用CMOS晶体管由于其低功耗、高集成度和高可靠性的特点，在各种数字集成电路中得到广泛应用：1.微处理器和微控制器：CMOS晶体管实现了高速运算和低功耗。
2.存储器：CMOS晶体管实现了高密度集成和快速读写。
3.传感器：CMOS晶体管用于光电传感器和温度传感器等。
4.通信系统：CMOS晶体管用于射频功率放大器和射频开关等。
综上所述，CMOS晶体管是一种重要的数字集成电路器件，它的工作原理和特性使得其在现代科技中起着不可或缺的作用。
cmos的基本原理
cmos的基本原理CMOS的基本原理CMOS是一种重要的集成电路技术，其基本原理是通过控制两个互补的金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)场效应晶体管(MOSFET)的导通和截断来实现电路的逻辑运算。
CMOS电路由p型和n型MOSFET组成，可以实现低功耗、高集成度和高可靠性的电路设计。
CMOS电路的基本元件是MOSFET，它是一种三端口器件，包括栅极、漏极和源极。
根据栅极的工作电压，MOSFET可以分为两种类型：pMOSFET和nMOSFET。
pMOSFET的栅极与源极之间的电压为正时，pMOSFET导通；nMOSFET的栅极与源极之间的电压为负时，nMOSFET导通。
通过适当的电路连接，可以实现不同的逻辑操作。
CMOS电路的关键是通过pMOSFET和nMOSFET之间的互补工作来实现逻辑功能。
在CMOS电路中，pMOSFET和nMOSFET是互补的，即当pMOSFET导通时，nMOSFET截断；当nMOSFET导通时，pMOSFET截断。
这种互补工作方式使得CMOS电路具有低功耗特性，因为只有在逻辑操作时才会有电流流过器件。
CMOS电路的逻辑门是由多个MOSFET组成的。
最常见的逻辑门有与门、或门、非门和异或门。
与门由两个或多个输入和一个输出组成，只有当所有输入均为高电平时，输出才为高电平；或门也由两个或多个输入和一个输出组成，只要输入中有一个为高电平，输出就为高电平；非门只有一个输入和一个输出，当输入为高电平时，输出为低电平，反之亦然；异或门有两个输入和一个输出，当两个输入相等时，输出为低电平，否则输出为高电平。
CMOS电路的优点是低功耗和高集成度。
由于CMOS电路只在逻辑操作时才有电流流过，因此其功耗相对较低。
此外，CMOS电路的工作电压范围广，可以适应不同的应用场景。
CMOS技术还具有高集成度的特点，可以在一块芯片上集成大量的逻辑门和其他功能模块，实现复杂的系统设计。
CMOS基础及基本工艺流程
2.根据工作模式进行分类：
• MOSFET在零栅压时不存在漏源导电沟道,这种常断 （关断）器件,通常称为增强型器件（E器件）.在这 种器件中,为了形成导电沟道,需要施加一定的栅压,使 之形成导电沟道时的最小栅压称为阈值电压或开启电 压.
• MOSFET在零栅压时,漏和源之间就已经存在一个导 电沟道,即在零栅压时,器件也是导通的（常通器件）, 若要使这种器件截止,需要施加栅压将沟道耗尽才行, 因此称这种器件为耗尽型器件（D器件）.它不像增强 型器件那样,电流只在表面流动,而是在远离表面的体 区中流动,因此耗尽型器件有时也称为埋沟型器件.
在实际应用中,将各种参数仔细斟酌,确定最佳 的掺杂浓度分布和一系列的技术措施,将横向器件 尺寸等比例缩小引起的短沟道效应减至最小、最 弱.
• 2. 栅介质和栅电极材料
MOS器件的栅介质材料通常是热生长的二氧化硅,随着器件 尺寸的不断缩小,栅介质的质量也在不断提高.
MOS器件的栅电极材料可以是金属、多晶硅或多晶硅和硅 化物的复合栅,铝是最早使用的金属,多晶硅是最普遍使用的材料. 铝的薄层电阻一般仅为几mΩ/□,而典型的n＋和p＋多晶硅层的 薄层电阻分别为15和25Ω/□.通过改变多晶硅的掺杂,例如多晶 硅从简并p型变为简并n型,改变功函数的数值可以使MOSFET的 阈值电压变化1V左右,这样可以更方便地调节阈值的对称性.
MOSFET的分类
1.根据根据器件结构进行分类：
• N沟MOS晶体管（nMOST）的衬底为p型,源漏区 为重掺杂的n＋区,沟道中的载流子为电子；
• p沟MOS晶体管（pMOST）的衬底为n型,源漏区 为重掺杂的p＋区,沟道中的载流子为空穴.
MOS器件在正常情况下,只有一种载流子（n沟为 电子,p沟为空穴）在工作,因此也称这种器件为单 极晶体管,这是与双极晶体管相对而言的,双极晶体 管在正常工作时与两种类型的载流子（电子和空 穴）都有关.
电子管,晶体管,三极管,场效应管,MOS以及CMOS的区别和联系
电子管，晶体管，三极管，场效应管，MOS以及CMOS的区别和联系
电子管：一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振
荡的电子器件，常用于早期电子产品中。
晶体管（transistor）：一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。
晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常
之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。
电子管与晶体管代表了电子元器件发展过程中的两个阶段：电子管——晶体管——集成电路。
电子管可分为电子二极管，电子三极管等，晶体管也分为半导体二极管，半导体三极管等。
三极管：半导体三极管的简称，是一种电流控制型半导体器件，由多子和少子同时参与导电，也称双极型
晶体管（BJT）或晶体三极管。
场效应管(FET)：Field Effect Transistor，一种电压控制型半导体器件，由多数载流子参与导电,也称为单极
型晶体管。
MOS：场效应管的一种。
CMOS：互补金属氧化物半导体，是一种类似MOS管设计结构的多MOS结构组成的电路，是一种由无数
电子元件组成的储存介质。
CMOS电路基础
CMOS电路基础CMOS（亦称互补金属氧化物半导体）电路是一种在数字电路和模拟电路中广泛应用的技术。
本文将对CMOS电路的基础知识进行论述，包括CMOS电路的构成、工作原理以及应用领域。
一、CMOS电路的构成CMOS电路由PMOS和NMOS晶体管组成，其中PMOS是P型金属氧化物半导体晶体管，NMOS是N型金属氧化物半导体晶体管。
这两种晶体管互补共存，并以互补的方式进行电路设计，因此被称为CMOS电路。
二、CMOS电路的工作原理1. PMOS晶体管PMOS晶体管是由P型衬底、两个N型源/漏极和用于控制的栅极组成。
当栅极电压为低电平（0V）时，PMOS导通，形成一个通路。
当栅极电压为高电平（正电压）时，PMOS截止，断开通路。
2. NMOS晶体管NMOS晶体管是由N型衬底、两个P型源/漏极和栅极组成。
当栅极电压为高电平（正电压）时，NMOS导通，形成一个通路。
当栅极电压为低电平（0V）时，NMOS截止，断开通路。
3. CMOS电路的工作原理在CMOS电路中，通过同时控制PMOS和NMOS的开关状态，可以实现逻辑门以及其他各种电路。
例如，当输入A为低电平（0V），输入B为高电平（正电压）时，通过控制PMOS导通、NMOS断开，可以实现与门的功能。
只有当输入A为低电平且输入B为高电平时，输出为高电平；其他情况下输出为低电平。
三、CMOS电路的应用领域CMOS电路由于其低功耗、高噪声抑制能力和强电流驱动能力等特点，被广泛应用于各个领域。
以下是一些常见的应用领域：1. 数字系统CMOS电路可用于各种数字逻辑电路中，例如计算机、移动设备和通信设备等。
其低功耗特点使得电池供电的设备能够更加高效地工作。
2. 模拟系统CMOS电路也可应用于模拟电路领域，例如运放、模数转换器和数模转换器等。
其高噪声抑制能力使得模拟信号的处理更加准确。
3. 存储器CMOS电路在存储器中扮演着重要角色。
静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）等都采用了CMOS电路技术，以实现高性能和高密度的存储器单元。
cmos 工作原理
cmos 工作原理
CMOS（亦称为互补金属-氧化物半导体），是一种集成电路技术，常用于数字集成电路中的逻辑门设计和存储器设计。
CMOS工作原理基于互补金属-氧化物半导体场效应晶体管（CMOSFET）。
CMOSFET由PMOS（P型金属-氧化物半导体）和NMOS（N型金属-氧化物半导体）两种不同类型的晶体管组成。
在CMOS工作模式下，当输入电压为低电平时，NMOS的管子通而PMOS的管子截断，形成低阻态。
当输入电压为高电平时，NMOS的管子截断而PMOS的管子通，形成高阻态。
这种工作方式使得CMOS具有普适性和低功耗特性。
CMOS电路中的逻辑门由CMOSFET组成。
例如，CMOS中的与门由串联的NMOS管子和并联的PMOS管子构成。
NMOS管提供低电平为真的输出，而PMOS管提供高电平为真的输出。
通过控制输入电压，可以实现不同的输出逻辑。
由于CMOSFET的高输入电阻和低漏电流特性，CMOS电路具有较高的抗干扰能力和较低的功耗。
CMOS还常用于存储器设计中。
CMOS存储器（例如静态随机存取存储器，SRAM）利用CMOSFET的开关特性来存储和读取数据。
在SRAM中，每个存储单元由一个存储比特的CMOSFET组成。
通过控制CMOSFET的开关来存储和读取二进制数据。
总的来说，CMOS工作原理是基于互补金属-氧化物半导体场效应晶体管的特性。
通过控制CMOSFET的通断状态，实现不同的逻辑功能和数据存储。
CMOS具有低功耗、高集成度和抗干扰能力强等优势，因此被广泛应用于数字集成电路中。
CMOS集成电路基础知识
CMOS集成电路基础知识CMOS是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor一词的缩写。
在业余电子制作中我们经常会用到它，这里系统、详细的介绍一些CMOS 集成电路基础知识及使用注意事项。
CMOS集成电路的性能及特点功耗低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。
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。
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。
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。
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。
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。
《CMOS晶体管基础》课件
需要建立更完善的可靠性测试与评估方法，以确 保CMOS晶体管的可靠性和稳定性。
新材料与新器件结构的探索
新材料的应用
为了克服现有材料的限制，需要探索新的材 料应用于CMOS晶体管中，如高迁移率材料 、二维材料等。
新器件结构的探索
为了提高CMOS晶体管的性能和功能，需要探索新 的器件结构，如新型的逻辑门电路、三维集成等。
CMOS晶体管的发展历程
总结词
CMOS晶体管的发展经历了从20世纪60年代的初期研究到现在的广泛应用的过程。
详细描述
20世纪60年代初期，人们开始研究CMOS晶体管，并逐渐认识到其低功耗和高可靠性的优点。随着半导体工艺 技术的不断进步，CMOS晶体管的性能得到了显著提升，应用领域也不断扩大。现在，CMOS晶体管已经成为集 成电路中的基本元件，广泛应用于各种电子设备中。
等。
03
CMOS晶体管的制造工 艺
衬底材料的选择
01
02
03
衬底材料
硅是最常用的衬底材料， 因为它具有高导热性、高 耐久性和低成本。
晶向选择
根据晶体管的设计要求， 选择适当的晶向以获得最 佳性能。
衬底质量
衬底应无缺陷、杂质和裂 缝，以确保晶体管的可靠 性和稳定性。
掺杂工艺
元素选择
选择适当的元素进行掺杂，以改变材料的导电性 能。
《cmos晶体管基础》ppt课件
目录
• CMOS晶体管简介 • CMOS晶体管的工作原理 • CMOS晶体管的制造工艺 • CMOS晶体管的性能优化 • CMOS晶体管的挑战与展望
01
CMOS晶体管简介
定义与特性
总结词
CMOS晶体管是一种集成电路的基本元件，具有低功耗、高噪声容限、高可靠性等特性 。
cmos晶体管原理
CMOS晶体管原理CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管是一种常用的半导体器件，广泛应用于数字集成电路和微处理器等领域。
CMOS晶体管由P型和N型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）组成，具有低功耗、高集成度和可靠性等优点。
本文将详细解释与CMOS晶体管原理相关的基本原理。
1. MOSFET基本结构MOSFET是一种三层结构的器件，包括源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）三个区域。
其中，源极和漏极之间通过一个薄的氧化层隔离，形成了一个通道，栅极则位于氧化层的上方控制通道的导电性。
MOSFET根据不同的掺杂类型和导电性可以分为两种类型：N沟道MOS（NMOS）和P 沟道MOS（PMOS）。
在CMOS技术中，NMOS和PMOS结合使用，构成了CMOS逻辑电路。
2. MOSFET工作原理MOSFET的工作原理可以分为三个阶段：截止区、线性区和饱和区。
下面将详细介绍每个阶段的工作原理。
2.1 截止区当栅极电压低于阈值电压时，MOSFET处于截止区。
此时，栅极和漏极之间的通道被隔断，无法形成导电通路。
该状态下，MOSFET的漏极电流非常小，可以忽略不计。
2.2 线性区当栅极电压高于阈值电压时，MOSFET进入线性区。
此时，栅极电压的变化会影响通道的导电性，从而控制漏极电流的大小。
当栅极电压增加，通道导电性增强，漏极电流也相应增大。
2.3 饱和区当栅极电压进一步增加，超过一定阈值电压时，MOSFET进入饱和区。
在饱和区，通道已经完全形成，栅极电压的增加不会再影响漏极电流。
此时，漏极电流保持稳定，不再增大。
3. CMOS逻辑门电路CMOS技术利用NMOS和PMOS的互补特性构建逻辑门电路。
逻辑门电路是数字电路的基本组成单元，用于实现逻辑运算和数据处理。
CMOS逻辑门电路由一对互补的NMOS和PMOS组成，通过电压的控制来实现逻辑运算。
最新CMOS晶体管基础
沟道夹断
2、阈值电压（Threshold Voltage）
➢ 阈值电压是当沟道反型时所需的电压 (i.e. 将沟道从p型变 到n型的电压).
➢ 阈值电压可按下式计算:
4、MOS Capacitance
MOS电容：由器件本生的构造引起的。 Cgs: 栅极和源极的寄生电容。（平板电容） Cgd: 栅极和漏极的寄生电容。（平板电容） Cgb: 栅极和衬底的寄生电容。 Cdb: 漏极和衬底的寄生电容。(PN结电容） Csb: 源极和衬底的寄生电容。(PN结电容）
是影响最大的
interface)
VSB = 源到衬底的电势差(Source to bulk voltage)
对于一般工艺，Vtn= 0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp= - 0.91V(PMOS的阈值电压）,
阈值电压由工艺参数决定
3、MOSFET的 I-V 特性 (线性区Triode Region)
➢ c 是非理想因子，它是考虑了随着漏极电压增加耗尽层加厚而造成的.
MOSFET I-V Characteristics(伏安特性）曲线
VGS：栅极和源极的电压差。 VDS: 漏极和源极的电压差。 ID : 流过漏极和源极的电流。 Vth: 器件的阈值电压，当VGS增加到一定的值时，栅极下面的P型 半导体会发生反型，形成N型半导体的沟道。此时D和S之间可以有 电流流过，这个特定的电压值，称之为值电压。
电容值的计算（了解）
Capacitance values are the same as Accumulation
CMOS制作基本工艺解读
CMOS制作基本步骤CMOS的制作步骤是需要经过一系列的复杂的化学和物理操作最终形成集成电路。
而做为一名集成电路版图（ic layout）工程师，对于这个在半导体制造技术中具有代表性的CMOS工艺流程有个系统的了解是有很大帮助的。
个人认为只有了解了工艺的版工才会在IC Layout的绘制中考虑到你所画的版图对流片产生的影响。
芯片制造厂（Fab）大概分为：扩散区，光刻区，刻蚀区，离子注入区，薄膜区和抛光区。
扩散是针对高温工艺，光刻利用光刻胶在硅处表面刻印，刻蚀将光刻胶的图形复制在硅片上，离子注入对硅片掺杂，薄膜区淀积介质层和金属层，抛光主要是平坦化硅片的上表面。
简化的CMOS工艺由14个生产步骤组成：（1）双阱注入在硅片上生成N阱和P阱。
（2）浅槽隔离用于隔离硅有源区。
（3）通过生长栅氧化层、淀积多晶硅和刻印得到栅结构。
（4）LDD注入形成源漏区的浅注入。
（5）制作侧墙在随后的源、漏注入当中保护沟道。
（6）中等能量的源、漏注入，形成的结深大于LDD的注入深度。
（7）金属接触形成硅化物接触将金属钨和硅紧密结合在一起。
（8）局部互连形成晶体管和触点间的第一层金属线。
（9）第一层层间介质淀积，并制作连接局部互连金属和第一层金属的通孔1。
（10）用于第一次金属刻蚀的第一层金属淀积金属三明治结构并刻印该层金属。
（11）淀积第二层层间介质并制作通孔2。
（12）第二层金属通孔3淀积第二层金属叠加结构，并淀积和刻蚀第三层层间介质。
（13）第三层金属到压点刻蚀、合金化重复这些成膜工艺直到第五层金属压焊淀积完毕，随后是第六层层间介质和钝化层的制作。
（14）最后一步工艺是参数测试，验证硅片上每一个管芯的可靠性。
在之前的文章中以一个PMOS和一个NMOS构成的反相器为例，简单的分步介绍了CMOS制作的基本步骤，整个流程就是对上述步骤的详细解说。
不同的是（9）（10）被合在一起介绍，（11）（12）（13）被合在一起介绍，而（14）则没有列入到详解步骤中。
CMOS工艺基础
光源的波长 Vs. 特征尺寸 436或365nm水银灯：um 248nm氟化氪准分子激光器：180nm-0.25um 193nm 氟化氩准分子激光器：90nm X-射线光刻： 电子束光刻：
3、阱与沟道的形成
阱将器件与衬底隔离
掺入杂质的方法：
qnn qp p
杂质散射对导 电率的影响
1
2 1
1
N Nref
室温纯Si，电子
1 92cm2 /(V.S) 2 1380cm2 /(V.S)
Nref 6.31017 cm3, 0.91
杂质补偿：CMOS工艺中，大多数掺杂区同 时存在施主和受主
nn Nd Na
pn
ni2 (Nd Na)
80 +Ann(3h)
SiO 2
SiGe
Boxபைடு நூலகம்(b)
SiO
2
60
Si
40
Ge Ge%=33.2% O
20
0 18 20 22 24 26 28 30 32
Sputerring time(min.)
100
Ox(2.75h)+Ann(3h)+6 Cycles
(d)
80
SiO 2
SiGe
Box SiO
Ge%=58.2% 2
版图设计规则：对集成电路制造过程中所使用的光掩膜制备方 面的规定。主要目的就是在尽可能小的面积内制作功能可靠的 电路。它描述了以很高的概率确保制造与后续操作准确性的设 计容限。
制定设计规则的原因：
1、阱规则：
1) 阱与阱及阱外有源区间距：阱的注入深度较有源区深， 需在阱边缘与相邻扩区之间预留置足够的外部间隙。
cmos工作原理
cmos工作原理CMOS工作原理。
CMOS是一种常见的集成电路制造工艺，它在现代电子设备中扮演着至关重要的角色。
CMOS工作原理是指在CMOS集成电路中，晶体管的工作原理和电荷传输的机制。
下面我们将详细介绍CMOS工作原理的相关内容。
首先，我们来看看CMOS的基本结构。
CMOS由N型金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOS）和P型金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOS）组成。
这两种晶体管的工作原理是互补的，它们共同构成了CMOS电路的基础。
在CMOS中，NMOS和PMOS晶体管是交替连接的，当NMOS导通时，PMOS截止，反之亦然。
这种结构使得CMOS在工作时能够实现低功耗和高稳定性的特性。
其次，我们来了解一下CMOS的工作原理。
在CMOS中，当输入信号为高电平时，NMOS导通，PMOS截止；当输入信号为低电平时，NMOS截止，PMOS导通。
通过这种方式，CMOS能够实现在不同输入信号下的高低电平输出。
这种工作原理使得CMOS在数字电路中有着广泛的应用，如逻辑门、寄存器、存储器等。
另外，CMOS的工作原理还涉及到电荷传输的过程。
在CMOS中，当输入信号改变时，NMOS和PMOS晶体管中的电荷会发生变化，从而导致输出信号的变化。
这种电荷传输的机制是CMOS能够实现高速、低功耗的重要原因之一。
此外，CMOS还能够实现多路复用、集成度高、抗干扰能力强等特性，这些都与其工作原理密切相关。
总结一下，CMOS的工作原理是基于NMOS和PMOS晶体管的互补工作特性，通过控制输入信号来实现高低电平输出，从而完成数字电路中的各种逻辑功能。
同时，CMOS还依靠电荷传输的机制来实现高速、低功耗的特性。
这些特点使得CMOS在现代集成电路中得到了广泛的应用，成为了数字电路设计中不可或缺的一部分。
通过本文的介绍，相信大家对CMOS的工作原理有了更深入的了解。
在今后的学习和工作中，我们可以更好地利用CMOS的特性，设计出更加高效、稳定的电子设备和系统。
cmos和晶体管的区别？
CMOS（互补金属氧化物半导体）和晶体管是两种不同的半导体技术，它们在结构、工作原理和应用方面有一些区别。
下面是它们的主要区别：1. **结构**：- CMOS：CMOS是一种集成电路的制造技术，其中包含了复杂的电路结构，如逻辑门、存储单元等。
CMOS技术使用p型和n型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）构成电路。
- 晶体管：晶体管是一种电子组件，作为电子开关或放大器使用。
晶体管通常由晶体硅材料制成，包括几个层级的掺杂材料和金属接触。
2. **工作原理**：- CMOS：CMOS技术利用p型和n型晶体管的互补工作特性，当输入信号为高电平（逻辑"1"）时，p型MOSFET导通，n型MOSFET截止，当输入信号为低电平（逻辑"0"）时，p型MOSFET截止，n型MOSFET导通。
这种工作原理使得CMOS电路可静态地消耗少量功率。
- 晶体管：晶体管通过控制基极/栅极电流来控制电流的流动。
晶体管有不同的类型，如单极型（BJT）和场效应型（FET），其工作原理略有不同。
3. **功耗和性能**：- CMOS：CMOS电路在不进行操作时耗电较低，因为只有在切换状态时才会有较大的电流通过。
它还具有较高的噪声抗干扰能力和较低的功耗。
CMOS技术被广泛应用于数字电路、微处理器、存储器等高性能和低功耗的应用。
- 晶体管：晶体管的功耗和性能取决于其类型和用途。
晶体管通常用于放大电子信号或作为开关，其功耗和性能取决于其工作点和使用条件。
总的来说，CMOS是一种集成电路制造技术，利用p型和n 型金属氧化物半导体场效应晶体管实现电路功能。
而晶体管是一种电子组件，用于放大信号或作为开关。
它们在结构、工作原理、功耗和应用方面有一些区别，根据不同的需求和应用场景，可以选择适合的技术和器件。
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Aluminum
L
W
G
Gate
S
Poly
D
Oxide
n+
Source
Drain
p-substrate
Leff LDrawn
n+
LD
n+
n+
W
W
线宽(Linewidth),
特征尺寸(Feature Size)指什么？
L
MOSFET的三个重要几何参数 Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定 通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗
gm iDS vGS g mb
Q
iDS v BS
g ds
Q
iDS v DS
Q
式中，Q表示在静态工作点的值.
Small-Signal Model of MOSFET in Saturation
NMOS管的阈值电压VTHN可表示为:
VTHN ms 2 F 2q si N A Qbo Qss Cox Cox
以S为公共端，G为信号输入端，D为信号输出端，VGS=VDD。
7、衬偏调制效应（体效应）
当VBS不等于0时，晶体管的衬底和源区将反偏， 耗尽层将变宽。 从而提高阈值电压（ＶT)的数值。
ＶＴ的变化曲线
8 MOSFET的温度特性
MOSFET的温度特性主要来源于沟道中载流子的迁移率µ 和阈 值电压VT随温度的变化。 载流子的迁移率随温度变化的基本特征是： T µ 由于 W Vgs VT gm 所以， tox L T gm 阈值电压VT的绝对值同样是随温度的升高而减小： T VT VT(T) (2 4) mV/°C VT的变化与衬底的杂质浓度Ni和氧化层的厚 度tox有关： (Ni , tox) VT(T)
2 F VSB 2 F VTHN 0
2 F VSB 2 F
饱和区NMOS管的漏极电流IDS可表示为: W 2 I DS VGS VTHN (1 VDS ) 其中 KPn
2 L
总的(AC+DC)的漏极电流iDS为:
iDS ids I DS
C gb
ox L 2 LD W
TOX
C gd C gs
ox LD W
TOX
CGDO W CGSO W
以上各式中：
Eox: Tox: 氧化层的介电常数。 氧化层的厚度。
Cox’ ： 表示单位面积氧化层的电容值。 LD： 表示栅极和S、D重叠的宽度（由工艺精度决定）。
因此:
gm
v GS (VGS v gs VTHN ) 2 (1 VDS ) 2
iDS vGS
(VGS v gs VTHN ) (1 VDS )
Q
g mb
g ds
i DS v BS
Q
i DS VTHN gm VTHN v SB 2 2 F V SB
Where KPn
W L
VDS >= VGS-Vth
4、MOS Capacitance
MOS电容：由器件本生的构造引起的。 Cgs: 栅极和源极的寄生电容。（平板电容）
Cgd: 栅极和漏极的寄生电容。（平板电容）
Cgb: 栅极和衬底的寄生电容。 Cdb: 漏极和衬底的寄生电容。(PN结电容）
M1 25 54
M2 10 18 46
M3 8 11 17 49
Units aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um2 aF/um
5、MOSFET的交流小信号模型(Analog Model for the MOSFET)
MOSFET的高频模拟模型. 电容已经在以前提到. ro 是输出电阻，gm是栅跨导. Current sources model the gain associated with biasing the base and the body of the MOSFET.
其中
ms = 栅和衬底的接触电势（contact potential between the gate and the bulk） F = 衬底的静电势(electrostatic potential of the substrate) Q`bo = 耗尽区的电荷(charge in the depletion region) Q`ss = Si/SiO2 接触面的电荷(Si/Sicharge at the Si/SiO2 interface) VSB = 源到衬底的电势差(Source to bulk voltage)
ID
2
VGS VTHN 2
Where KPn
W L
当晶体管被夹断(pinchoff)时, 发生了什么? 增大 VDS 使耗尽区扩大到沟道中. 这导致ID 随 VDS 的增加而增大. 因此ID 可写为:
ID
2
VGS VTHN 2 1 c VDS VDS _ Sat
截止区：
线性区 (Linear):
ID=0， VGS< Vth
2 VDS I D VGS VTHN VDS 2
，VDS〈 VGS-Vth
饱和区 (Saturation):
ID
2
VGS VTHN 2 1 c VDS VDS _ Sat
2 VDS I D VGS VTHN VDS 2
Where KPn
W L
MOSFET I-V 特性 (饱和区Saturation Region)
晶体管偏置在 VGS VTHN ，此时沟道已形成. 漏源电压较大 (i.e. VDS VGS – VTHN). 理想的漏极电流可表示为:
深亚微米CM.P+Act. Poly Area (sub.) 526 937 83 Area (poly) Area (M1) Area (M2) Area (N+act.) 3599 Area (P+act.) 3415 Fringe (sub.) 249 261
对于一般工艺，Vtn= 0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp= - 0.91V(PMOS的阈值电压）, 阈值电压由工艺参数决定
3、MOSFET的 I-V 特性 (线性区Triode Region)
晶体管偏置在 VGS VTHN , 此时沟道已形成. 漏源电压 (VDS) 较小. 漏极电流可用下式表示:
① VGS〈Vthn时
下面的结构是N+PN+，耗尽层内是没有 自由移动的电荷的。D、S之间没有形成 一条电流通道,所以IDS=0。
②，VGS>=Vthn时
由于电场的作用，P—SUB中的少量电子移动到了沟 道的顶部。这样就形成了一条电子移动的通道，如 果VDS>0,就会形成源漏电流IDS。
沟道夹断
2、阈值电压（Threshold Voltage）
阈值电压是当沟道反型时所需的电压 (i.e. 将沟道从p型变 到n型的电压). 阈值电压可按下式计算:
VTHN 2q si N A Qbo Qss ms 2 F Cox Cox
2 F VSB 2 F
是影响最大的
Csb: 源极和衬底的寄生电容。(PN结电容）
电容值的计算（了解）
Capacitance values are the same as Accumulation Cox ox and Cox Cox W L TOX Capacitance is comprised of three components
二
CMOS晶体管基础
主要内容
1 、结构及工作原理 2、阈值电压 3、电流—电压方程（I-V特性） 4、MOS管寄生电容 5、小信号等效电路 6、gm、gds 7、MOSFET的数字模型 8、衬偏调制效应 9、MOSFET的温度特性 10、CMOS结构图
1、工作原理
3D结构图
Polysilicon
Small-Signal Model of MOSFET
输入信号的幅度和电源电压相比很小, 它在直流偏置工作 点附近的变化, 可近似认为工作在线性区间(如: i ds I DS ). i DS
MOS管的小信号模型可以直接从直流模型得出。大多数应 用中, MOS管被偏置在饱和区工作。下面仅给出饱和区的 小信号参数. 沟道导纳gm, gmb和gds, 分别称为栅跨导, 衬底跨导, 漏电导, 定义如下:
阈值电压(Threshold voltage):
VTHN ms 2 F
2q si N A Qbo Qss Cox Cox
2 F VSB 2 F
对于一般工艺，Vtn=0.83V(NMOS的阈值电压), Vtp=-0.91V(PMOS的阈值电压）, 阈值电压由工艺参数决定
9、CMOS的剖面结构图
β (VGS v gs VTHN ) 2 I DS 2
1 iDS ro v DS
Q
6、MOSFET的简单数字模型 (A Simple Digital Model for the MOSFET)
Rn
KPn 2
VDD L Rn W W VDD VTHN 2 L
Where KPn