一文看懂CMOS集成门电路

CMOS门电路由

PMOS 场效应管和

NMOS 场效应管以对称互补的形式组成，本文先介绍MOS管，然后再介绍由CMOS组成的门电路。

MOS英文全称Metal Oxide Semiconductor，中文全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管 ，属于一种电压控制型 器件，正如其名，由金属(M)，氧化物(O)和半导体(S)构成，和三极管一样，既可以用来放大电路，也可以当作开关使用，MOS管基本原理和制造流程，这里不再详细介绍，有兴趣可以看看以前的文章。

MOS管可分为耗尽型 和增强型 ，每种类型又分为P沟道和N沟道。

增强型MOS管，栅极与衬底之间不加电压时，栅极下面没有 沟道存在，耗尽型，栅极与衬底之间不加电压时，栅极下面已有 沟道存在。

MOS管的图形符号如下，一般用增强型MOS 管用于门电路分析。

MOS管图形符号

增强型MOS管有P沟道和N沟道两种，其结构原理基本类似，主要区别在于沉底和载流子不同，下面以N沟道增强型MOS管 为例简单介绍下，其结构如下所示:

增强型NMOS管的结构

增强型NMOS管是以P型掺杂 硅片为衬底，然后制作两个N型掺杂的区域，再制作一层电介质绝缘层，在两个N型掺杂的区域用金属导线连出，分别称为源极 (source)和漏极 (drain)，在两极中间的绝缘层上制作金属导电层，然后用导向连出称为栅极 (gate)，衬底一般也用导线连出和源极连接在一起。

增强型MOS管需要在栅极加合适的电压才能工作，下面说明其工作原理：

增强型NMOS管工作原理

电源E1通过R1加到场效应管D, S极，电源E2通过开关S加到G, S极。

当开关S断开时，栅极无电压，由于衬底是P型，多数载流子是空穴；源，漏极是N型掺杂，多数载流子是电子，熟悉PN节的读者可以很快看出来，源极和漏极之间有两个背靠背的PN节，即使源，漏极加上电压，总有一个PN节处于反偏状态，源漏极之间没有导电沟道，所以电流为0；

当开关S闭合，场效应管栅极获得正电压，上面会带有正电荷，它产生的电场穿过电介质，将P衬底中的电子吸引过来并聚集，从而在两个都是N型掺杂的源漏极之间出现导电沟道，由于此时漏源之间加上的是正向电压，于是就会有电流从漏极流入，再经过导电沟道从S极流出，一般把形成沟道时的栅源极电压称为开启电压 ，用Vt表示，也即是图中E2电压。

如果改变E2电压大小，栅极下面的电场大小随之变化，吸引过来的电子数量也会发生变化，两个N区之间沟道宽度就会随之变化，通过的漏源极的电流大小就会发生变化。E2电压越高，沟道就会越宽，电流就会越大。

增强型MOS管的特点如下：

G, S极之间未加电压时，D, S极之间没有沟道，电流为0；

G, S极之间加上开启电压后，D, S极之间有沟道形成，D, S极之间有电流

为分析方便，可以认为当NMOS管，G极为高电平时导通，为低电平时截止 ；对于PMOS 则相反，G极为低电平时导通，高电平时截止 。

上面介绍了PMOS和NMOS基本概念，接下来介绍CMOS构成的逻辑门电路。

首先是CMOS非门电路 ，也叫反相器 ，结构图如下：

CMOS非门电路

VT1是PMOS管，VT2是NMOS管，电源输入端A分别与MOS管的G极连接，电路的输出端分别与MOS管的D极相连，PMOS的S极接电源VDD，NMOS管的S极接地。

CMOS反相器的工作原理如下：

当A端为高电平 时，VT1 PMOS管截止，VT2 NMOS管导通，Y端输出为低电平 ，也即A=1，Y=0；

当A端为低电平 时，VT2 NMOS管截止，VT1 PMOS管导通，Y端输出为高电平 ，也即A=0，Y=1。

综上所述，CMOS非门的输出端与输出端之间电平总是相反，实际上，不管输入端为高电平还是低电平，VT1和VT2始终有一个处于截止状态，电源与地之间基本无电流通过，因此CMOS非门电路的功耗很低。

非门真值表

然后介绍与非门 ，其电路结构图如下：VT1，VT2为PMOS管，VT3，VT4为NMOS管。

CMOS与非门

CMOS与非门工作原理如下：

当A，B端均为高电平时，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS导通，Y端为低电平，即A=1，B=1时，Y=0；

当A，B端均为低电平时，VT1 PMOS，VT2 PMOS导通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端为高电平，即A=0，B=0时，Y=1;

当A端为低电平，B端为高电平时，A端低电平使VT2 PMOS导通，VT3 NMOS截止，B端高电平使VT1 PMOS截止，VT4 NMOS导通，所以Y端输出高电平，即A=0，B=1时，Y=1;

同理，当A端为高电平，B端为低电平时，输出端Y=1。

从上面分析可知，当输入端均为高电平时，输出端为0，只要有一个输入端为低电平，输出端就为1，满足或非的逻辑。

与非门真值表

最后是CMOS或非门 ，其电路结构图如下：其中VT1，VT2为PMOS，VT3，VT4是NMOS。

CMOS或非门

CMOS或非门电路工作原理如下：

当A，B端均为高电平时，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS导通，Y端为低电平，也即A=1，B=1时，Y=0；

当A，B端均为低电平时，VT1 PMOS，VT2 PMOS导通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端为高电平，也即A=0，B=0时，Y=1；

当A端为低电平，B端为高电平时，A端低电平使VT1导通，VT3截止，B端高电平使VT2截止，VT4导通，由于VT2截止，VT4导通，Y端输出低电平，也即A=0，B=1时，Y=0；

同理：A端为高电平，B端为低电平时，输出端Y为0。

综上所述，当A，B均为低电平时，输出端才是1，满足与非门逻辑。

或非门真值表

CMOS门电路静态功耗低，抗干扰能力强，开关速度高，工作稳定可靠，适用于逻辑电路设计，应用非常广泛。

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CMOS管和双极晶体管的区别

场效应管和双极晶体管不同，仅以电子或空穴中的一种载子动作的晶体管。按照结构、原理可以分为：

．接合型场效应管

．MOS型场效应管

N通道接合型场效应管如图所示，以P型半导体的栅极从两侧夹住N型半导体的结构。将PN接合面上外加反向电压时所产生的空乏区域用于电流控制。

N型结晶区域的两端加上直流电压时，电子从源极流向漏极。电子所通过的通道宽度由从两侧面扩散的P型区域以及加在该区域上的负电压所决定。

加强负的栅极电压时，PN接合部分的空乏区域扩展到通道中，而缩小通道宽度。因此，以栅极电极的电压可以控制源极-漏极之间的电流。

用 途

即使栅极电压为零，也有电流流通，因此用于恒定电流源或因低噪音而用于音频放大器等。

结型FET的图形记号

结型FET的动作原理（N通道）

★MOS型场效应管

原 理

即使是夹住氧化膜（O）的金属（M）与半导体（S）的结构（MOS结构），如果在（M）与半导体（S）之间外加电压的话，也可以产生空乏层。再加上较高的电压时，氧华膜下能积蓄电子或空穴，形成反转层。将其作为开关利用的即为MOSFET。

在动作原理图上，如果栅极电压为零，则PN接合面将断开电流，使得电流在源极、漏极之间不流通。如果在栅极旧外加正电压的话，则P型半导体的空穴将从栅极下的氧化膜-P型半导体的表面被驱逐，而形成空乏层。而且，如果再提高栅极电压的话，电子将被吸引表表面，而形成较薄的N型反转层，由此源杖（N型）和漏极（N型）之间连接，使得电流流通。

用 途

因其结构简单、速度快，且栅极驱动简单、具有耐破坏力强等特征，而且使用微细加工技术的话，即可直接提高性能，因此被广泛使用于由LSI的基础器件等高频器件到功率器件（电力控制器件）等的领域中。

MOS FET的图形记号

MOS FET的动作原理（N通道）

常用场效用管

1、MOS场效应管

即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor

Field-Effect-Transistor），属于绝缘栅型。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最

高可达1015Ω）。它也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示。通常是将衬底（基板）与源极S接在一起。根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、

耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。

耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。

以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通，二者总保持等电

位。图1（a）符号中的前头方向是从外向电，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道。当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电

流）ID=0。随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的

开启电压VTN（一般约为+2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。

国产N沟道MOSFET的典型产品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均为单栅管），4DO1（双栅管）。它们的管脚排列（底视图）见图2。

MOS场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形

成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏。因此了厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止积累静电荷。管子不用时，全部引

线也应短接。在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。

MOS场效应管的检测方法

（1）．准备工作 测量之前，先把人体对地短路后，才能摸触MOSFET的管脚。最好在手腕上接一条导线与大地连通，使人体与大地保持等电位。再把管脚分开，然后拆掉导线。

（2）．判定电极

将万用表拨于R×100档，首先确定栅极。若某脚与其它脚的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极G。交换表笔重测量，S-D之间的电阻值应为几百欧至几千

欧，其中阻值较小的那一次，黑表笔接的为D极，红表笔接的是S极。日本生产的3SK系列产品，S极与管壳接通，据此很容易确定S极。

（3）．检查放大能力（跨导）

将G极悬空，黑表笔接D极，红表笔接S极，然后用手指触摸G极，表针应有较大的偏转。双栅MOS场效应管有两个栅极G1、G2。为区分之，可用手分别触摸

G1、G2极，其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。 目前有的MOSFET管在G-S极间增加了保护二极管，平时就不需要把各管脚短路了。

MOS场效应晶体管使用注意事项。

MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：

MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装

取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。

焊接用的电烙铁必须良好接地。

在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后在分开。

MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。

电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把电路板接上去。

MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。

2、VMOS场效应管

VMOS场效应管（VMOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器

件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大

（1.5A～100A）、输出功率高（1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压

放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。

众所周知，传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上，其工作电流基本上是沿水平方向流动。VMOS管则不同，从左下图上可以

看出其两大结构特点:第一，金属栅极采用V型槽结构；第二，具有垂直导电性。由于漏极是从芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平流动，而是自重掺杂N+

区（源极S）出发，经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区，最后垂直向下到达漏极D。电流方向如图中箭头所示，因为流通截面积增大，所以能通过大电流。由于在栅

极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。

国内生产VMOS场效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等，典型产品有VN401、VN672、VMPT2等。

VMOS场效应管的检测方法

（1）．判定栅极G 将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘的。

（2）．判定源极S、漏极D 由图1可见，在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极。用交换表笔法测两次电阻，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时黑表笔的是S极，红表笔接D极。

（3）．测量漏-源通态电阻RDS（on）将G-S极短路，选择万用表的R×1档，黑表笔接S极，红表笔接D极，阻值应为几欧至十几欧。

由于测试条件不同，测出的RDS（on）值比手册中给出的典型值要高一些。例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS

（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。

（4）．检查跨导 将万用表置于R×1k（或R×100）档，红表笔接S极，黑表笔接D极，手持螺丝刀去碰触栅极，表针应有明显偏转，偏转愈大，管子的跨导愈高。

注意事项：

VMOS管亦分N沟道管与P沟道管，但绝大多数产品属于N沟道管。对于P沟道管，测量时应交换表笔的位置。

有少数VMOS管在G-S之间并有保护二极管，本检测方法中的1、2项不再适用。

目前市场上还有一种VMOS管功率模块，专供交流电机调速器、逆变器使用。例如美国IR公司生产的IRFT001型模块，内部有N沟道、P沟道管各三只，构成三相桥式结构。

现在市售VNF系列（N沟道）产品，是美国Supertex公司生产的超高频功率场效应管，其最高工作频率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信号低频跨导gm=2000μS。适用于高速开关电路和广播、通信设备中。

使用VMOS管时必须加合适的散热器后。以VNF306为例，该管子加装140×140×4（mm）的散热器后，最大功率才能达到30W

8、场效应管与晶体管的比较

场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。

场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。

场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

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