CMOS集成電路的自我隔離-KIA MOS管

集成電路示意圖

無論是雙極性集成電路，到現(xiàn)在主流的CMOS集成電路，基本都是靠PN結(jié)隔離。

我們知道，PN結(jié)之所以叫“結(jié)”，就是在結(jié)合處會(huì)成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，這個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)阻止了P型（空穴多）和N型（電子多）載流子的進(jìn)一步復(fù)合。所以PN結(jié)加正向電壓，內(nèi)建電場(chǎng)被削弱，PN結(jié)導(dǎo)通。

加反向電壓，增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，PN結(jié)不導(dǎo)通。利用PN結(jié)的反偏不導(dǎo)通可以做到晶體管之間的隔離效果。為了便于對(duì)照，我們把PN結(jié)的狀態(tài)（零偏正偏反偏）示意圖如下。

反向PN結(jié)可以用作隔離

下面是CMOS集成電路的基本單元示意圖：NMOS管和PMOS管。

它們的不同搭配組合可以形成許許多多的邏輯電路。圖中綠色代表N型區(qū)，黃色代表P型區(qū)，不同顏色深淺代表濃度不同。

CMOS反偏的阱隔離

NMOS位于P阱內(nèi)，PMOS位于N阱內(nèi)，P阱和N阱就構(gòu)成了一個(gè)PN結(jié)，阱的引出端是各自的B端。

要讓PMOS管和NMOS管互相隔離，就得采用反偏電壓。所以一定是P阱接低電平，N阱接高電平。普通邏輯或數(shù)字電路無一例外。

很多工藝為了簡單，可以只做一個(gè)阱，把襯底當(dāng)作另外一個(gè)阱。如果是N型襯底，那就相當(dāng)于圖中N阱擴(kuò)展到了下面，襯底得接高電平。如果是P型襯底，那就相當(dāng)于圖中P阱擴(kuò)展到了下面，襯底得接低電平。

理解了CMOS器件的隔離技術(shù)，就很容易看懂版圖：接VDD高電平的都是PMOS，位于N阱內(nèi)。接GND低電平的都是NMOS，位于P阱內(nèi)。

另外由于NMOS是電子導(dǎo)電，PMOS是空穴導(dǎo)電。電子的遷移率比空穴大，所以為了平衡，相同性能的P管寬長比一般比N管大一些。這樣更容易從電源的接法和晶體管的大小就很容易識(shí)別PMOS和NMOS版圖。

有人說，這樣接法的限制會(huì)不會(huì)影響電路設(shè)計(jì)呢？我們來看一個(gè)簡單的例子。

如下圖所示，將阱偏置好的PMOS及NMOS用藍(lán)線連接，則可以得到：當(dāng)in端為高電平“1”時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)管子溝道處感應(yīng)出電子來，導(dǎo)致NMOS導(dǎo)通，PMOS不導(dǎo)通。out端就變成了低電平“0”。

CMOS倒相器工作原理1

相反，如下圖所示，當(dāng)in端為低電平“0”時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)管子溝道處感應(yīng)出空穴來，導(dǎo)致PMOS導(dǎo)通，NMOS不導(dǎo)通。out端就變成了高電平“1”。

CMOS倒相器工作原理2

除了倒相器，CMOS在阱固定反向偏置下，還可以形成與非門、或非門等等邏輯電路。

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