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CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

MOSFET

MOSFET 有两种：NMOS 和 PMOS，电路符号如下：

MOSFET

PMOS 和 NMOS 的电路符号（图源 Wikipedia）

PMOS 和 NMOS 都有三个电极，分别是源级（Source），栅级（Gate）和漏级（Drain）。MOSFET 的特点是，在 \(D\) 到 \(S\) 的电流受到 \(G\) 也就是栅级的电压的控制：

  1. 当 \(V_{GS} < V_{th}\) 时，\(I_D=0\)，此时 MOSFET 处于断开的状态
  2. 当 \(V_{GS} > V_{th}, V_{GD} > V_{th}\) 时，\(I_D=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(2(V_{GS}-V_{th})V_{DS}-V_{DS}^2)\)，此时 MOSFET 处于线性区
  3. 当 \(V_{GS} > V_{th}, V_{GD} < V_{th}\) 时，\(I_D=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2[1+\lambda(V_{DS}-V_{DSsat})]\)，此时 MOSFET 处于饱和区

这里的线性区和饱和区是在 \(I_D - V_{DS}\) 特性曲线上说的（见下图），意思是当 \(V_{GS} > V_{th}\) 的时候，随着 \(V_{DS}\) 的增大，\(I_D\) 首先会增大，直到 \(V_{GD} > V_{th}\) 的时候，\(I_D\) 饱和，几乎不再增加。严格来讲，所谓的线性区，实际上也不是直线，而是抛物线。

I_D - V_{DS} Curve

ID - VDS 特征曲线（图源清华大学张雷老师电子学基础课程的课件）

PMOS 和 NMOS 的区别是电流的方向不同。PMOS 电流从 S 流向 D，NMOS 电流从 D 和 S。如果注意到上面 MOSFET 的符号的画法，会发现电流都是从上面往下流。此外还有一个规律，箭头连接的那一侧就是 S。

数字电路中的 CMOS

CMOS 全称是 Complementary metal–oxide–semiconductor，意思就是拿 PMOS 和 NMOS 的组合来实现电路。当 CMOS 被用来实现数字电路的时候，PMOS 和 NMOS 经常成对出现，PMOS 接到 \(V_{DD}\)，NMOS 接到 \(GND\) 上。例如用 PMOS 和 NMOS 实现一个非门（NOT gate）：

CMOS Not Gate

CMOS 实现非门（图源 CMOS Logic Gate - Geeks for Geeks）

当输入为高电平的时候，NMOS 导通，PMOS 断开，此时输出通过 NMOS 接到了地上，所以输出低电平。当输入为低电平的时候，PMOS 导通，NMOS 断开，此时输出通过 PMOS 接到了电源上，所以输出高电平。用类似的方法，还可以设计出与非门（NAND gate）和或非门（NOR gate）：

CMOD NAND and NOR Gate

CMOS 实现与非门和或非门（图源 CMOS Logic Gate - Geeks for Geeks）

以及在工艺库里常见的 AOI（And Or Invert）和 OAI（Or And Invert）门：

CMOD AOI and OAI Gate

CMOS 实现 AOI 和 OAI 门（图源 CMOS Logic Gate - Geeks for Geeks）

CMOS 在实现数字电路的时候，并没有用到它的线性区和饱和区的特性，只用到了 \(V_{GS}\) 和 \(V_{th}\) 的大小以及是否有电流的关系，可以认为 PMOS 和 NMOS 就是一个用电压控制的开关。

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